Luz laser move metajets em 3D ao converter luz em empuxo e sustentação

A luz laser pode erguer e direcionar microchips padronizados em três dimensões, transformando a própria luz em empuxo e sustentação, segundo um novo estudo.

O trabalho tira a propulsão guiada por luz de um nicho restrito de laboratório e reforça a ideia de um futuro em que máquinas se deslocuem sem combustível e sem contacto físico.

O movimento começa debaixo d’água

Num compartimento cheio de água, os investigadores observaram metajets a flutuar livremente a deslocarem-se na horizontal e a subirem quando um feixe laser atingia as suas superfícies com padrões.

Na Texas A&M University (TAMU), o Dr. Shoufeng Lan e a sua equipa registaram esse movimento à medida que os dispositivos desviavam o feixe e recuavam como resposta.

Em vez de simplesmente seguirem a direção original da luz, as mesmas estruturas microscópicas moveram-se contra a trajetória do feixe já curvado e, ao mesmo tempo, ganharam altura no líquido.

Com esse controlo bem definido, o foco passou a ser como a própria superfície consegue converter luz em força.

Física por trás do empurrão

Ao curvar o feixe, a metassuperfície padronizada - uma camada ultrafina que molda a luz - altera o momento dos fotões, e essa mudança faz o dispositivo recuar.

O princípio é o mesmo de ação e reação, com a diferença de que quem fornece o “tranco” é a luz, não um jato de exaustão.

O grupo de Lan chamou essa reação projetada de força metafotónica, capaz de apontar para os lados, para cima, ou nas duas direções.

Com esse modelo de força, os resultados ficaram coerentes: o deslocamento seguia a direção para onde a luz redirecionada ia depois de sair da superfície.

A fabricação define a direção

Cada dispositivo foi construído com nanopilares de silício - colunas minúsculas de silício - organizados de modo que elementos vizinhos atrasassem a onda luminosa em quantidades diferentes.

Ao variar o tamanho dos pilares, alterava-se esse atraso, o que determinava o ângulo de saída do feixe e, por consequência, a direção da força.

Numa versão inicial, 58% da luz incidente foi conduzida para a trajetória desejada, valor suficiente para medir o movimento com clareza.

Embora o controlo na fabricação não tenha eliminado as dificuldades para os cientistas, ele ajudou a mostrar que era a geometria que realizava o “trabalho”, e não um aquecimento parasita a provocar deslocamentos espúrios.

Um padrão claro aparece

Cinco repetições sob as mesmas condições de laser reproduziram o mesmo comportamento: avanço constante numa direção, pouca deriva lateral e subida.

Assim que o laser era ligado, o dispositivo acelerava para cima e depois estabilizava ao alcançar o teto da câmara.

Fotogramas de vídeo recolhidos a cada cinco segundos mostraram o objeto a mover-se no sentido oposto ao da luz curvada, exatamente como previsto.

Essas medições foram decisivas porque ligaram a teoria a uma trajetória visível e confirmada, e não apenas a um cálculo no ecrã.

Transferir a complexidade para o objeto

Micromáquinas ópticas anteriores, como deixou evidente um estudo de nanomotor de 2020, normalmente dependiam de feixes moldados ou ativamente direcionados.

Aqui, o feixe manteve-se simples, enquanto o objeto padronizado passou a assumir grande parte do trabalho de “direção”.

Ao deslocar o controlo para o próprio dispositivo, removeu-se um estrangulamento: redesenhar uma peça pode ser mais simples do que reconstruir hardware de laser à volta de um alvo em movimento.

Além disso, a estratégia pareceu mais uma plataforma do que um truque isolado válido apenas numa configuração específica.

Compromissos moldam o movimento

Quando havia menos pilares em cada padrão repetido, a luz era empurrada mais para os lados, aumentando o empuxo horizontal, mas reduzindo a sustentação.

Ao acrescentar mais pilares, ocorria o inverso: o empurrão lateral enfraquecia, enquanto a força vertical se fortalecia.

Como os dois movimentos vinham da mesma luz, ajustar uma direção inevitavelmente alterava a outra. Esse compromisso transformou o desenho da propulsão num exercício de equilíbrio, e não numa corrida simples por velocidade ou sustentação máximas.

Escalar a ideia para cima

O mais impressionante não foi o tamanho do dispositivo, mas a regra subjacente: mais luz gera mais força, mesmo em escalas menores do que um fio de cabelo humano.

“"A força óptica escala com a potência incidente e não depende fundamentalmente do tamanho do metajet", escreveram os investigadores.”

Essa lógica leva rapidamente o pensamento para Alpha Centauri, o sistema estelar mais próximo do Sol.

Propostas de energia dirigida já desenharam viagens de cerca de 20 anos para velas laser com massa de uma fração de uma onça, embora este teste tenha permanecido muito menor.

Barreiras para o uso no mundo real

A gravidade ainda complicava o ensaio; por isso, a equipa usou líquido para suavizar o efeito, compensar parcialmente o peso e tornar o movimento mais fácil de identificar.

Fora desse arranjo, sistemas reais terão de lidar com estabilidade do feixe, aquecimento, alinhamento e materiais que aguentem luz intensa ao longo de grandes distâncias.

Nenhum desses obstáculos invalida os dados, mas os testes continuam mais difíceis quando se pensa em naves futuras, sobretudo sem os apoios de laboratório.

Ensaios em microgravidade, potências mais altas e materiais mais robustos serão os pontos mais importantes na próxima fase.

De micromáquinas a naves espaciais

Um dos motivos para o resultado chamar atenção foi o seu alcance: a mesma física pode influenciar o desenvolvimento de vários projetos no futuro.

Em escalas pequenas, movimento sem contacto pode deslocar peças delicadas em máquinas miniaturizadas, sem cabos, engrenagens ou propelente a bordo.

Mais adiante, a propulsão por laser pode ganhar interesse porque uma fonte remota de energia consegue continuar a empurrar depois que os foguetões se esgotam e o combustível acaba.

Os dados ajudam a explicar por que um dispositivo a derivar na água pode ter relevância para a exploração espacial no futuro.

Ao converter um único feixe em empuxo lateral coordenado e sustentação vertical, este trabalho tornou o momento - antes abstrato - simultaneamente visível e utilizável.

Os próximos avanços vão depender de materiais mais fortes, lasers mais estáveis e condições de teste que se aproximem mais do ambiente espacial e resistam a iluminações mais longas.