Transporte de energia mecânica é possível mesmo por vias danificadas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/06/2020

A energia mecânica chega do outro lado mesmo que os componentes intermediários sejam danificados.
[Imagem: Guarav Bahl]

Circuito à prova de mau contato

A maioria das tecnologias depende de dispositivos que transportam energia, na forma de eletricidade, luz, rádio ou ondas mecânicas.

Não nos damos muito conta disso - a não ser quando as coisas pifam -, mas os canais usados para o transporte dessas ondas são suscetíveis a desordens e defeitos, seja na fabricação, seja após repetidos usos ou pela ação de ambientes agressivos.

É aí que entra a importância do trabalho de Inbar Grinberg e uma equipe da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, nos EUA.

A pesquisadora demonstrou experimentalmente uma nova maneira de transportar energia, uma maneira que funciona mesmo quando as guias de ondas dão defeito e mesmo que o distúrbio seja um fenômeno transitório no tempo - algo como um mau contato.

Esta técnica pode viabilizar dispositivos e sistemas de transmissão mais robustos, que continuem a funcionar mesmo depois de sofreram danos.

Bombeamento

A inspiração veio de um trabalho de 1983 do físico David Thouless - ganhador do prêmio Nobel - quando ele propôs um esquema para realizar o transporte quantizado de partículas únicas - por exemplo, elétrons - através de um potencial periódico - por exemplo, uma cadeia de átomos.

O princípio consiste em fazer modulações graduais e periódicas na estrutura da cadeia em função do tempo. No final de cada período do ciclo de "bombeamento", uma única partícula deve entrar na corrente em uma extremidade e, simultaneamente, uma única partícula deve sair da outra extremidade da corrente. E a coisa funciona mesmo que a cadeia de átomos que serve como meio de transmissão possua uma quantidade moderada de desordem.

Esse tipo de sistema é conhecido como uma "bomba" porque sua descrição técnica evoca a visão de um parafuso de Arquimedes, uma bomba de água acionada por uma manivela manual que tem referências históricas desde o antigo Egito.

Grinberg então pegou a ideia de Thouless e a trouxe para o mundo macro, das dimensões humanas, implementando uma bomba mecânica, usando molas, massas e ímãs, que foram usados para compor o que a pesquisadora chama de um "material artificial magneto-mecânico unidimensional".

Detalhe dos mecanismos individuais que compõem a bomba.
[Imagem: Inbar Hotzen Grinberg et al. - 10.1038/s41467-020-14804-0]

Bombeamento topológico

Embora o aparato também funcione com um eixo de manivela rotativo, como a bomba em parafuso de Arquimedes, uma distinção fundamental é que a bomba transporta energia mecânica - e não elétrons ou água. E ela faz isso por toda a cadeia em cada período do ciclo de bombeamento mesmo que a cadeia tenha uma quantidade significativa de desordem no espaço ou no tempo.

Não deixa de ser impressionante que Grinberg tenha conseguido trazer um conceito dos elétrons para a energia mecânica clássica, mas agora a equipe está interessada em voltar para as partículas mais envolvidas com a tecnologia.

"Em última instância, gostaríamos de estender esta demonstração para produzir guias de ondas igualmente resilientes para luz, som e eletricidade," disse o professor Gaurav Bahl. "O sonho é colocar um sinal em uma extremidade de um canal unidimensional e garantir transporte para a outra extremidade, de maneira robusta sempre que o usuário desejar. Acreditamos que as bombas topológicas são uma ótima maneira de fazer isso."

As linhas de fibra óptica e cobre formam a espinha dorsal de todas as nossas tecnologias de comunicação. Atualmente, mesmo pequenos danos ao longo desses canais de comunicação - qualquer coisa exceto uma desconexão completa - pode reduzir a intensidade do sinal e até produzir reflexões que afetam negativamente a quantidade de dados que esses canais podem transportar.

A equipe acredita que o bombeamento topológico pode ser uma ótima solução nesses cenários.

Bibliografia:

Artigo: Robust temporal pumping in a magneto-mechanical topological insulator
Autores: Inbar Hotzen Grinberg, Mao Lin, Cameron Harris, Wladimir A. Benalcazar, Christopher W. Peterson, Taylor L. Hughes, Gaurav Bahl
Revista: Nature Communications
Vol.: 11, Article number: 974
DOI: 10.1038/s41467-020-14804-0

Artigo: Quantization of particle transport
Autores: D. J. Thouless
Revista: Physical Review B
Vol.: 27, 6083
DOI: 10.1103/PhysRevB.27.6083

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