Cientistas descobrem uma nova forma de luz

Por , em 16.02.2018

A luz normalmente não interage. Tente “cruzar” a luz de duas lanternas, por exemplo. Nada acontece, não é mesmo? Porque os fótons individuais simplesmente passam um pelo outro.

Mas e se as partículas de luz pudessem interagir, atraindo-se e repelindo-se, como sabres de luz?

Ou, em um cenário mais provável, dois feixes de luz poderiam se encontrar e se fundir em um fluxo único e luminoso.

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade de Harvard (EUA), bem como colaboradores de outras instituições, demonstraram que isso é possível, uma conquista que poderia abrir caminho para o uso de fótons interligados na computação quântica.

Em resumo

Os pesquisadores observaram grupos de três fótons interagindo e se juntando para formar um tipo completamente novo de luz.

Em experimentos controlados, a equipe descobriu que, quando eles apontaram um raio laser muito fraco através de uma nuvem densa de átomos de rubídio ultrafrios, em vez de sair da nuvem como fótons soltos, espaçados aleatoriamente, os fótons se uniram em pares ou trios, sugerindo algum tipo de interação – neste caso, atração.

Enquanto os fótons normalmente não têm massa e viajam a cerca de 300 mil quilômetros por segundo (a velocidade da luz), os cientistas concluíram que os fótons “unidos” realmente adquiriram uma fração da massa de um elétron. Essas partículas de luz também eram relativamente lentas, viajando cerca de 100.000 vezes mais devagar do que os fótons não interativos.

Se puderem interagir de outras maneiras, os fótons podem ser aproveitados para realizar cálculos quânticos extremamente rápidos e incrivelmente complexos.

O experimento

A equipe tem buscado maneiras, tanto teóricas quanto experimentais, de encorajar interações entre fótons há muitos anos. Em 2013, os cientistas observaram pela primeira vez pares de fótons interagindo e se unindo, criando um estado de matéria totalmente novo.

Em seu novo trabalho, eles queriam testar se as interações poderiam ocorrer entre mais de dois fótons.

Para isso, usaram um processo que começa com o resfriamento de uma nuvem de átomos de rubídio a temperaturas extremas, apenas um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Esfriar os átomos torna-os mais fracos. Através desta nuvem de átomos imobilizados, os pesquisadores então apontaram um raio laser muito fraco.

Em seguida, mediram os fótons quando saíram do outro lado da nuvem de átomos, descobrindo que eles formaram pares e trios.

A prova da interação

Além de rastrear o número e a taxa de fótons, a equipe também mediu a fase dos fótons, antes e depois de viajar pela nuvem de átomos. A fase do fóton indica sua frequência de oscilação.

“A fase diz o quanto eles estão interagindo, e quanto maior a fase, mais forte eles estão ligados”, explicou Aditya Venkatramani, um dos membros do estudo, da Universidade Harvard.

A equipe observou que, quando partículas de três fótons abandonavam a nuvem de átomos simultaneamente, sua fase era diferente da de fótons que não interagiam, e cerca de três vezes maior do que a diferença de fase das moléculas com dois fótons.

“Isso significa que esses fótons não estão cada um interagindo de forma independente, mas sim interagindo juntos fortemente”, disse.

Modelo teórico

Os pesquisadores desenvolveram uma hipótese para explicar o que poderia ter causado a interação dos fótons.

Seu modelo, baseado em princípios físicos, apresenta o seguinte cenário: quando um fóton se move através da nuvem de átomos de rubídio, pousa brevemente sobre um átomo antes de pular para outro, como uma abelha que flui entre flores.

Se outro fóton estiver viajando simultaneamente através da nuvem, também pode passar algum tempo em um átomo de rubídio, formando um “polariton”, um híbrido parte fóton, parte átomo.

Então dois polaritons podem interagir um com o outro através de seu componente atômico. À beira da nuvem, os átomos permanecem onde estão, enquanto os fótons que saem continuam unidos.

Avanço

Os pesquisadores descobriram que esse mesmo fenômeno pode ocorrer com três fótons, formando um vínculo ainda mais forte do que as interações entre dois fótons.

Toda a interação dentro da nuvem do átomo ocorre em um milhão de segundo. E é essa interação que estimula os fótons a manterem-se unidos, mesmo depois de terem deixado a nuvem.

Isso significa que os fótons que interagem um com o outro se tornam fortemente correlacionados ou entrelaçados – uma propriedade chave para a computação quântica.

Os fótons podem viajar muito rápido em longas distâncias, de forma que já usamos luz para transmitir informações, como nas fibras ópticas. “Se os fótons podem influenciar uns aos outros, se podemos entrelaçá-los, e fizemos isso, podemos usá-los para distribuir informações quânticas de uma maneira interessante e útil”, disse Vladan Vuletic, um dos principais autores do estudo, do Instituto de Tecnologia do Massachusetts.

Como próximo passo, a equipe irá testar outras formas de interação entre os fótons, como a repulsão. Fótons repelidos podem, por exemplo, formar um padrão regular, como um cristal de luz, o que é um território muito inexplorado.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na prestigiada revista Science. [ScienceDaily]

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