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out 24 2013

Moléculas de luz, cristais de pura luz e… sabres de luz

“Não é uma analogia fora de propósito comparar isso com os sabres de luz,”
garante o pesquisador. [Imagem: Divulgação]

Em 2005, cientistas alemães usaram pulsos de energia chamados sólitons para criar o que eles chamaram de moléculas de luz.

Ofer Firstenberg e seus colegas da Universidade de Harvard e do MIT, nos Estados Unidos, podem agora requisitar a primazia da expressão.

É que eles usaram fótons para criar moléculas de luz “autênticas”, um feito que desafia o saber científico sobre a luz, podendo criar um novo estado da matéria que os pesquisadores comparam aos sabres de luz de Guerra nas Estrelas.

Moléculas fotônicas e sabres de luz

A criação de “moléculas fotônicas”, onde fótons fazem o papel de átomos, contraria o conhecimento científico aceito há décadas sobre a natureza da luz.

Afinal, fótons têm sido descritos como partículas sem massa que não interagem uns com os outros – dispare dois feixes de laser um em direção ao outro e eles simplesmente vão passar um pelo outro, sem se afetar.

Isso em condições ambientais “normais” – mude o meio onde os fótons se propagam e as coisas podem começar a mudar.

O ambiente onde os fótons agem como se tivessem massa para formar moléculas de luz é uma atmosfera de átomos de rubídio injetados no interior de uma câmara de vácuo. [Imagem: Thibault Peyronel et al./Nature]

“O que fizemos foi criar um tipo especial de meio no qual os fótons interagem uns com os outros tão fortemente que eles começam a agir como se tivessem massa, ligando-se para formar moléculas. Esse tipo de estado ligado fotônico tem sido discutido teoricamente há um bom tempo, mas até agora não tinha sido observado,” explica o professor Mikhail Lukin.

Lukin e seus colegas têm um histórico significativo de demonstrações na área fotônica: primeiro eles conseguiram transferir informações da matéria para a luz e, mais recentemente, demonstraram a viabilidade das redes quânticas fazendo a luz trocar dados com matéria sólida.

Para explicar as moléculas de luz, Lukin foi buscar uma analogia nos sabres de luz dos guerreiros Jedi.

“Não é uma analogia fora de propósito comparar isso com os sabres de luz,” disse ele. “Quando esses fótons interagem uns com os outros, eles estão empurrando e desviando uns aos outros. A física do que está acontecendo nestas moléculas é semelhante ao que se vê nos filmes [Guerra nas Estrelas].”

Criando moléculas de luz

Mas não vai dar para sair lutando por aí.

O ambiente onde os fótons agem como se tivessem massa para formar moléculas de luz é uma atmosfera de átomos de rubídio criada no interior de uma câmara de vácuo, tudo resfriado a algumas frações de grau acima do zero absoluto.

Um cristal de luz com poucos “átomos” já foi demonstrado
usando feixes de raios laser. [Imagem: I. Bloch/MPQ]

Quando um fóton entra na nuvem de átomos frios, sua energia vai excitando os átomos ao longo de seu trajeto, o que faz com que sua velocidade se reduza dramaticamente. A surpresa é que o que sai do outro lado é o mesmo fóton que entrou.

“Quando os fótons saem do meio, sua identidade é preservada,” explica Lukin. “É o mesmo efeito que vemos com a refração da luz em um copo de água. A luz entra na água, cede parte de sua energia para o meio; dentro [do copo] ela existe como luz e matéria acopladas, mas, quando sai, continua sendo luz.”

A diferença é que, neste novo experimento, o fóton cede muito mais energia, o que causa a redução na sua velocidade.

Mas o mais interessante ainda estava por vir: quando são disparados não um, mas dois fótons, depois de atravessar o ambiente de átomos superfrios, o que emerge são moléculas fotônicas. Os fótons não saem individualmente, eles saem juntos, como uma molécula formada por dois fótons.

A explicação para o fenômeno foi encontrada em um efeito chamado de “bloqueio deRydberg“, que afirma que, quando um átomo é excitado, átomos próximos não podem ser excitados com a mesma intensidade – na prática, isso significa que, quando dois fótons entram na nuvem atômica, o primeiro excita um átomo, mas deve avançar antes que o segundo fóton possa excitar átomos próximos.

O resultado, segundo o pesquisador, é que os dois fótons puxam e empurram um ao outro através da nuvem conforme sua energia é transferida de um átomo para o outro.

“É uma interação fotônica mediada pela interação atômica,” disse Lukin. “Isto faz com que estes dois fótons comportem-se como uma molécula, e quando eles saem do meio eles são muito mais propensos a fazê-lo juntos do que como fótons individuais.”

Cristal do tempo poderá sobreviver ao fim do Universo.
[Imagem: Cortesia iStockphoto/M-X-K]

Cristais de pura luz

Mas, se não dá para construir sabres de luz com as moléculas fotônicas, será que elas servem para alguma coisa?

A resposta é sim, e certamente muito mais produtiva do que ficar dando “espadadas” nos outros.

A possibilidade mais prática é na tarefa de levar luz até o interior dos processadores, substituindo os fios e evitando o aquecimento.

Mais no futuro, computadores quânticos que possam contar com fótons que interagem entre si poderão fazer toda a computação usando unicamente essas unidades fundamentais da luz, com um gasto de energia mínimo e com uma velocidade imbatível.

Ainda mais no futuro, Lukin disse que poderá ser possível usar as moléculas de luz para criar redes fotônicas similares às redes atômicas – e criar cristais feitos inteiramente de luz.

“Para o que eles serão úteis ainda não sabemos, mas será um novo estado da matéria, de forma que novas aplicações poderão surgir conforme nós continuamos a investigar as propriedades dessas moléculas fotônicas,” concluiu ele.

Redação do Site Inovação Tecnológica – 01/10/2013
Bibliografia:
Attractive photons in a quantum nonlinear medium
Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic
Nature
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nature12512
 
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