Juntar dois feixes luminosos para criar um terceiro parece impossível, mas talvez não seja bem assim. [Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Juntar dois feixes luminosos para criar um terceiro parece impossível, mas talvez não seja bem assim. [Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Não é novidade que a luz é formada por pedacinhos — os fótons — mas eles não interagem entre si. Se pudéssemos juntá-los ou separá-los, poderíamos fazer coisas tão futuristas quanto sabres-de-luz ou computadores fotônicos. Estamos dando os primeiros passos nesse sentido.

A ciência avança porque cria noções de mundo que vão ser destruídas conforme surgem novas evidências. Até poucos anos atrás, os neurocientistas pensavam que os neurônios não eram repostos depois de morrer; hoje sabemos que o crescimento neuronal existe, e só não foi percebido antes por ser bem lento. Algo parecido pode estar acontecendo na fotônica, o ramo da física que estuda as propriedades da luz.

Durante séculos, os físicos se debateram sobre a natureza fundamental da luz: seria ela formada por partículas minúsculas ou pequeninas ondulações energéticas? No século XX, descobrimos o fóton. Seria uma grande vitória para o campo particulista, mas o fóton não deixou. Essa partícula luminosa tinha propriedades bastante incomuns: a ausência de massa e um comportamento que só seria compatível com o modelo ondulatório. Assim, chegamos a um meio-termo: a luz é formada por partículas que se agem feito ondas sob certas circunstâncias. Fim da história.

Só que não. No fundo, os teóricos corpusculares da luz sempre tiveram algum ressentimento. Sem massa, as partículas de luz não são capazes de interagir entre si. Embora isso explique fenômenos como a não-interferência entre dois raios luminosos — nada muda se você cruzar o facho de duas lanternas de cores diferentes, por exemplo —, a falta de interatividade dos fótons também impede coisas que ainda hoje têm um quê de ficção científica, como sabres-de-luz e computadores fotônicos.

Para que tais coisas funcionassem, os fótons deveriam ser capazes de se juntar e depois se separar da mesma forma que ocorre quando átomos se juntam para formar moléculas que podem ser quebradas mais tarde. Uma molécula de fótons parece violar as leis da física, mas talvez seja possível. Essa é a conclusão de um estudo publicado na Science de 16/02 por uma equipe de físicos liderada pelos professores Vladan Vuletić (do MIT) e Mikhail Lukin (de Harvard).

No paper, Vuletić, Lukin e seus colegas relatam a observação de três fótons em interação, juntando-se para formar uma espécie de matéria fotônica. Em experimentos minuciosamente controlados, os cientistas iluminaram uma densa porém ultrafria nuvem de átomos de rubídio com um feixe de laser bem fraquinho. Os fótons deveriam sair dessa nuvem de rubídio tal como haviam entrado: isolados, com espaçamentos aleatórios entre si. Só que os fótons tiveram um comportamento surpreendente e saíram da nuvem ligados em pares ou trios, o que indica a ocorrência de uma interação entre eles — uma interação atrativa.

Ao analisar essas moleculazinhas de fótons, os pesquisadores tiveram outras surpresas: em vez de não ter massa, os fótons interligados tinham uma fração bem pequena da já minúscula massa do elétron. Relativamente pesadonas, essas moléculas luminosas também foram bem mais lerdas, viajando com velocidades 100 000 vezes menores do que as dos fótons normais e antissociais.

Para entender como isso aconteceu, vamos dar um zoom no experimento. Quando dissemos que a nuvem de átomos de rubídio foi ultra-resfriada, não foi exagero. Os átomos foram refrigerados até um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Na prática, é como se tivessem sido congelados. Lembra que essa nuvem de átomos congelados foi atravessada por um feixe fraco de raio laser? Então, a intensidade desse laser era fraquíssima na verdade, permitindo que apenas um punhado de fótons atravessasse a nuvem atômica congelada.

Agora, imagine um único fóton passando por essa nuvem de átomos congelados. Movendo-se em linha reta, o fóton é capaz de entrar em contato com alguns desses átomos por minúsculas frações do tempo, formando um híbrido conhecido como poláritron. Isso, claro, freia um pouco o fóton mas ainda não é capaz de criar uma interação fotônica. Evidentemente, isso só acontece com a passagem de outro fóton. Dois poláritrons podem se formar um ao lado do outro, levando seus fótons a se tocar. Saltitando entre os átomos de forma emparelhada, os dois fótons chegam ao fim da nuvem. Aí, os fótons se desligam dos átomos mas não se largam mais. Meio que por inércia, eles continuam juntos, formando pares ou trios.

Numa analogia puramente química, é como se os átomos congelados de rubídio servissem como catalisador. Resfriado, o rubídio cria condições que facilitam a ligação dos fótons. Uma vez obtidas essas ligações, o rubídio pode ser descartado, restando apenas as moleculazinhas de fótons.

Embora esse processo ocorra em milionésimos de segundos e sob condições bastante extremas, a pesquisa de Vuletić et. al. encontrou uma nova maneira de manipular fótons. Esses pares ou trios de fótons podem ser vistos como fortemente emaranhados — e o emaranhamento de partículas é fundamental para processos de computação quântica. Já usamos fótons comuns dentro de fibras ópticas para transmitir informação em grandes volumes e alta velocidade. Se pudermos manipular esses fótons dentro de processadores, os avanços na velocidade e capacidade de processamento seriam imensos.

E quanto aos sabres-de-luz? Esse tipo de aplicação exigiria estruturas fotônicas bem mais complexas do que pares ou trios de fótons. Se elas são ou não possíveis de fazer — ainda mais num aparelho tão portátil quanto uma espada — é outra história. Uma história que talvez tenha potencial para o futuro.

Referência

rb2_large_gray25Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić. Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium [Observação de estados de três fótons ligados em um meio quântico não-linear]. Science, 359, 783–786 (2018)  DOI:10.1 126/science.aao7293

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