Uma equipe de engenheiros da Universidade do Sul da Califórnia (USC) demonstrou recentemente um novo tipo de dispositivo óptico que permite à luz “auto-organizar” seu caminho de propagação de acordo com princípios termodinâmicos, e espera-se que promova novas mudanças nas áreas de computação e comunicações. Ao contrário dos caminhos ópticos tradicionais que dependem de interruptores ou controle digital, o dispositivo permite que a luz encontre seu caminho espontaneamente dentro do sistema. Esta inovação proporciona aos sistemas de transmissão de dados, computação e comunicação uma solução de tecnologia fotônica mais natural e eficiente.

Uma equipe de pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da USC Minshey foi pioneira no desenvolvimento do primeiro dispositivo óptico baseado na teoria de ponta da "termodinâmica óptica", abrindo novos caminhos para guiar a luz em sistemas não lineares - sistemas que não requerem interruptores, controles externos ou entradas digitais. Nesses dispositivos, a luz não precisa ser ajustada manualmente e passará automaticamente por ela de acordo com as leis da termodinâmica.

Nas máquinas, o fluxo de fluido é controlado por válvulas de derivação; em redes eletrônicas, roteadores e switches gerenciam o fluxo de dados. No entanto, o controle da luz é muito mais complicado, muitas vezes dependendo de um grande número de interruptores e circuitos eletrônicos complexos, o que é um processo complicado e afeta o desempenho.

O método desenvolvido pela equipe da USC Photonics é como um labirinto de mármore auto-organizado. No passado, as bolas de gude tinham que ser guiadas gradativamente até o gol através de obstáculos artificiais. Agora a estrutura do dispositivo pode permitir automaticamente que as bolinhas cheguem ao ponto final. Por analogia, a luz também pode encontrar o seu próprio caminho sem intervenção humana, contando apenas com mecanismos termodinâmicos para alcançar a seleção ideal do caminho.

Espera-se que esta inovação tenha um impacto profundo na investigação científica básica e nas indústrias relacionadas. À medida que a velocidade e a eficiência do processamento eletrônico tradicional se aproximam dos limites físicos, muitos fabricantes de chips (incluindo NVIDIA, etc.) começaram a explorar métodos de interconexão óptica mais rápidos e com economia de energia. O uso de mecanismos termodinâmicos ópticos para obter um controle natural e auto-organizado do caminho da luz pode promover o desenvolvimento da tecnologia fotônica de próxima geração. Ao mesmo tempo, espera-se também que este quadro seja amplamente utilizado em domínios como as telecomunicações, a computação de alto desempenho e a transmissão segura de dados, ajudando a desenvolver dispositivos mais eficientes e com estrutura mais simples.

Análise de Princípio: A Termodinâmica Doma o “Caos”Desvio automático de luz

Sistemas ópticos não lineares multimodais são frequentemente considerados caóticos e imprevisíveis, e suas complexas interações entre modos os tornam extremamente difíceis de simular e projetar na prática. No entanto, precisamente porque não está sujeito às regras da óptica linear, contém fenómenos físicos ricos.

A equipe da USC percebeu que a luz nesses sistemas passará por um processo semelhante à colisão de moléculas de gás para atingir o equilíbrio térmico, e assim propôs a teoria da "termodinâmica óptica". Usando analogias de processos como expansão, compressão e mudanças de fase na termodinâmica, os cientistas caracterizaram de forma abrangente o comportamento dos fótons em redes ópticas não lineares.

A equipe publicou pela primeira vez um dispositivo baseado nesta teoria na revista Nature Photonics. O sistema não precisa orientar ativamente os sinais, mas é cientificamente projetado para permitir que a luz se ramifique por conta própria.

Seu princípio é emprestado diretamente da termodinâmica: assim como o gás distribuirá uniformemente a pressão e a temperatura durante o processo de expansão de Joule-Thomson e eventualmente atingirá o equilíbrio térmico, a luz no dispositivo USC também experimentará primeiro uma "expansão" semelhante antes de entrar no estágio de equilíbrio térmico e, finalmente, poderá fluir espontaneamente para o caminho de saída designado sem a necessidade de um interruptor externo.

Ao transformar fenômenos caóticos originalmente imprevisíveis em processos controláveis, a teoria da termodinâmica óptica fornece uma base teórica para a criação de novos dispositivos fotônicos usando sistemas não lineares complexos. Hediyeh M. Dinani, o primeiro autor do artigo e estudante de doutorado no Laboratório de Fotônica da USC, disse:"Esta estrutura pode não apenas realizar a divisão automática do caminho da luz, mas também pode trazer novas soluções de gerenciamento de luz, abrindo caminho para o processamento de informações, comunicação e exploração física básica. "

Demetrios Christodoulides, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola USC Viterbi, acrescentou: “Os problemas que atormentaram o campo da óptica no passado foram agora redefinidos como um processo físico natural, que deverá levar os engenheiros a inovar os métodos de controle de sinais ópticos e ondas eletromagnéticas.

Compilado de /ScitechDaily