As antenas de rádio podem emitir luz visível

Antenas de rádio podem emitir luz visível, mas provavelmente não da maneira que você está pensando. Se você bombear energia suficiente para uma antena de rádio, você pode aquecê-lo até que brilhe e emita luz visível através do processo de radiação térmica. Contudo, uma antena de rádio normal não pode emitir luz visível que transporta informações, semelhante ao que acontece com as ondas de rádio. tem, Contudo, outros dispositivos que podem fazer isso.

Como você pode ter aprendido, ondas eletromagnéticas vêm em muitas frequências diferentes, do rádio, infravermelho, visível, e ultravioleta para raios X e raios gama. A luz vermelha emitida por um bastão luminoso é fundamentalmente igual à onda de rádio emitida pelo seu roteador Wi-Fi. Ambas são ondas eletromagnéticas. A luz vermelha tem uma frequência muito mais alta que a onda de rádio (a frequência é uma medida de quantos ciclos a onda completa a cada segundo). Porque eles são fundamentalmente iguais, você pode ficar tentado a concluir que é possível fazer com que uma antena de rádio emita luz visível controlada simplesmente aumentando a frequência do circuito que aciona a antena. Embora isso faça sentido à primeira vista, a realidade das propriedades materiais das antenas atrapalha. Uma antena de rádio funciona usando circuitos elétricos para empurrar elétrons para cima e para baixo na antena, fazendo com que os campos elétricos dos elétrons ondulassem para cima e para baixo também. Esses campos elétricos oscilantes então viajam como ondas de rádio eletromagnéticas. A frequência da onda de rádio é igual à frequência com que você empurra os elétrons para cima e para baixo na antena.

Uma antena de rádio típica de um roteador Wi-Fi emite ondas de rádio com uma frequência de 2.4 GHz (2.4 bilhões de ciclos por segundo), que corresponde a um comprimento de onda de 12.5 centímetros. Em geral, uma antena de rádio emite ondas com mais eficiência quando seu comprimento é igual ao comprimento de onda da onda de rádio, ou a metade ou um quarto do comprimento de onda. Portanto, não deveria ser surpresa que as antenas do seu roteador Wi-Fi tenham cerca de 12.5 centímetros de comprimento. Em contraste, o comprimento de onda da luz azul é cerca de 470 nanometros. Para te dar uma ideia, isso é cem vezes menor que a menor célula do seu corpo. A luz azul tem um comprimento de onda que é cerca de 300,000 vezes menor do que uma onda de rádio Wi-Fi. Uma antena de rádio de tamanho normal é simplesmente grande demais para emitir luz visível com eficiência devido a essa incompatibilidade de tamanho., mesmo que conseguíssemos superar os problemas materiais. Você pode pensar que poderíamos simplesmente reduzir o tamanho da antena para corresponder ao comprimento de onda da luz visível, mas tal antena teria que ser apenas 1000 átomos de comprimento. Fazer uma antena tão pequena é difícil, mas não impossível. O campo emergente das nanoantenas plasmônicas realiza exatamente essa tarefa, como discutirei no final deste artigo. Mesmo se você fizer com sucesso uma antena tão pequena, você ainda precisa construir um circuito eletrônico que possa conduzir os elétrons para cima e para baixo na antena na frequência certa. A frequência da luz azul é cerca de 640 THZ (640 trilhões de ciclos por segundo). Os circuitos eletrônicos só podem acionar correntes elétricas que oscilam, na melhor das hipóteses, na casa das centenas de GHz (centenas de bilhões de ciclos por segundo). Se você tentar ir mais alto, os circuitos eletrônicos param de funcionar porque as propriedades dos materiais dos componentes do circuito mudam.

Mesmo que você conseguisse fazer uma antena de rádio pequena o suficiente para corresponder ao comprimento de onda da luz azul e conseguisse criar um dispositivo que pudesse acionar elétrons na frequência da luz azul, ainda há um grande problema que atrapalha: a estrutura atômica do material da antena. Para oscilações de elétrons de grande comprimento de onda, o material da antena parece uniforme e não possui resistência significativa. Em contraste, para oscilações em nanoescala, é mais provável que os elétrons colidam com os átomos e percam sua energia para os átomos antes que tenham a chance de emitir sua energia na forma de luz. O movimento ordenado dos elétrons é rapidamente transferido para um movimento desordenado dos átomos. Macroscopicamente, dizemos que quando a frequência é muito alta, a maior parte da energia elétrica é convertida em calor residual antes que tenha a chance de ser emitida como luz.

Os três principais obstáculos são, portanto,: o pequeno tamanho necessário para a antena, a dificuldade em encontrar uma maneira de conduzir os elétrons em alta frequência, e a tendência dos elétrons de alta frequência de perderem sua energia para aquecer. Esses obstáculos podem ser superados até certo ponto usando três abordagens diferentes: (1) bloquear os elétrons em pequenos, estados atômicos/moleculares localizados onde eles não podem colidir tanto com os átomos e então conduzir as oscilações dos elétrons usando o fato de que eles oscilam naturalmente quando fazem a transição entre os estados, (2) disparar os elétrons através do vácuo em alta velocidade passando pelos ímãs, e (3) construir em nanoescala, antenas de formato preciso e conduzem as oscilações de elétrons usando luz incidente.

O primeiro método é exatamente como funciona um laser tradicional. Os materiais são escolhidos onde certos elétrons estão bloqueados em estados úteis. Os elétrons são excitados para novos estados e depois estimulados a retornar aos seus estados originais.. Em vez de oscilar entre dois pontos no espaço, os elétrons em um laser tradicional oscilam para frente e para trás entre dois estados atômicos/moleculares. Esse tipo diferente de oscilação permite que a frequência de oscilação seja alta e ajuda a evitar que os elétrons colidam com os átomos., perdendo assim sua energia para aquecer. O problema dos elétrons colidindo com os átomos ainda é um problema nos lasers (os cientistas chamam esse efeito “emissão de fônons”), mas não é um obstáculo intransponível. Porque os lasers são fontes controladas de luz visível, eles podem ser usados ​​para enviar informações semelhantes à forma como as ondas de rádio transportam informações. De fato, cabos de fibra óptica contêm feixes de luz que transportam informações que foram criados por lasers (embora, a maioria das fibras ópticas usa luz infravermelha em vez de luz visível por razões de eficiência). Os lasers também podem ser usados ​​para enviar luz visível que transporta informações através do espaço livre.. Esta configuração é chamada de comunicação óptica sem fio.

O segundo método é como funciona um laser de elétrons livres. Nesse caso, elétrons são lançados através do vácuo em alta velocidade e, em seguida, uma série de ímãs são aplicados para fazer com que os elétrons se mexam para frente e para trás em alta frequência, emitindo assim luz visível. Um laser de elétrons livres projetado para forçar os elétrons a se moverem em 640 THz realmente emitirá luz azul de forma controlada. Como os lasers de elétrons livres precisam de câmaras de vácuo e aceleradores de elétrons de alta potência para funcionar, lasers de elétrons livres são usados ​​​​principalmente em laboratório.

O terceiro método é como funcionam as nanoantenas plasmônicas. De todos os dispositivos que emitem luz visível de forma controlada, nanoantenas plasmônicas são as mais próximas das antenas de rádio tradicionais. Uma nanoatena plasmônica é uma nanoescala, antena de metal de formato preciso que possui ressonâncias de plasma excitadas (oscilações eletrônicas agrupadas). Como as nanoantenas plasmônicas dependem de elétrons que oscilam entre um ponto no espaço e outro, assim como as antenas de rádio tradicionais, a perda térmica ainda é um grande problema quando operam em frequências de luz visível. Por esta razão, nanoantenas plasmônicas ópticas ainda são excentricidades de laboratório e não são fontes práticas de luz visível controlada. Como os lasers estão se tornando cada vez mais baratos, pequeno, e confiável, não há realmente uma motivação para desenvolver nanoantenas plasmônicas para emitir luz visível que transporta informações. além disso, já que os circuitos eletrônicos não podem funcionar em frequências ópticas, nanoantenas plasmônicas não podem ser excitadas conectando-as a um circuito eletrônico. Eles devem estar entusiasmados ao serem atingidos pela luz incidente. Desta maneira, nanoantenas plasmônicas não são como as antenas tradicionais. Eles são mais como objetos dispersos.

Observe que existem muitas outras maneiras de criar luz visível; incêndios, lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes, tubos de descarga de gás, reações químicas; mas nenhuma dessas formas cria luz visível de forma controlada (i.e. luz visível coerente) tal que muitas informações podem ser transportadas pelas ondas de luz, semelhante ao que é feito com ondas de rádio.

Crédito:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2015/10/02/can-radio-antennas-emit-visible-light/