Cientistas “espremeram” a luz – uma partícula de cada vez

Mete Atature

Um laser é usado para excitar individualmente “pontos quânticos”, pequenos átomos criados artificialmente, para obter um único fotão “espremido”.

Uma equipa de cientistas da Universidade de Cambridge mediu com sucesso partículas de luz a serem “comprimidas” – ou “espremidas”, numa experiência que tinha sido descrita nos livros de física como impossível de observar.

Esta compressão é um estranho fenómeno da física quântica, e cria uma forma muito específica de luz de “baixo ruído”, que pode ser potencialmente útil em tecnologia usada para captar sinais fracos, como a detecção de ondas gravitacionais.

O método padrão de compressão de luz envolve disparar um feixe de laser intenso sobre um material, geralmente um cristal não linear, que produz o efeito desejado.

Durante mais de 30 anos, no entanto, a teoria previa que o efeito fosse obtido com outra técnica, que envolveria excitar um único átomo com apenas uma pequena quantidade de luz.

A teoria afirma que a luz dispersada por este átomo deveria ser comprimida.

Infelizmente, embora a base matemática para este método – conhecido como compressão da ressonância de fluorescência – tenha sido desenvolvida em 1981, a experiência concebida para o comprovar era tão difícil que um consagrado livro de física quântica conclui: “Parece ser impossível medir este efeito”.

E assim foi – até agora.

Num artigo publicado no início do mês na revista “Nature”, uma equipa de físicos relata ter conseguido demonstrar com sucesso a compressão das partículas de luz, ou fotões individuais, usando um átomo construído artificialmente, conhecido como um ponto quântico semicondutor.

Graças às propriedades ópticas melhoradas deste sistema e da técnica utilizada para fazer as medições, os cientistas foram capazes de observar a luz que foi dispersa, e provaram que tinha, de facto, sido comprimida.

Tornando o impossível possível

De acordo com o professor Mete Atature, investigador do Departamento de Física da Universidade de Cambridge, que liderou a investigação, este é “um daqueles casos de uma questão fundamental que os teóricos elaboraram, mas que, depois de anos de tentativas, as pessoas basicamente concluem que é impossível observar na realidade”.

“Conseguimos fazê-lo porque agora temos átomos artificiais com propriedades ópticas que são superiores aos átomos naturais”, explica Atature, numa entrevista ao Phys.org.

“Fomos capazes de alcançar as condições necessárias para observar essa propriedade fundamental dos fotões e provar que este fenómeno ímpar de compressão realmente existe, ao nível de um único fotão”, diz o cientista.

“É um efeito muito bizarro que vai completamente contra os nossos sentidos, e o que achamos que os fotões devem fazer”, acrescenta.

Mete Atature

O efeito é chamado "átomo espremido" devido à forma que dele resulta. Até agora, era "fisicamente impossível" de provar

O efeito é chamado “átomo espremido” devido à forma que dele resulta. Até agora, era “fisicamente impossível” de provar

Atature afirma que o objectivo principal do estudo era simplesmente tentar ver essa propriedade nos fotões individuais, porque nunca tinha sido observada antes.

“É o mesmo que querer olhar para Plutão em mais detalhe, ou provar que os pentaquarks existem”, compara o ceientista.

“Nenhuma dessas coisas tem uma aplicação óbvia agora, mas o objectivo é saber mais do que sabíamos. Fazemos isso porque somos curiosos e queremos descobrir coisas novas”, diz Atature.

“Essa é a essência do que é a ciência”, conclui.

Conceitos complicados

Como quase tudo na física quântica, os princípios por trás da proeza envolvem conceitos praticamente incompreensíveis.

Antes de mais, onde quer que haja partículas de luz, há também  flutuações eletro-magnéticas associadas – uma espécie de estática a que os cientistas chamam “ruído”.

Tipicamente, quanto mais intensa a luz, maior será o ruído. Diminuindo a luz, o ruído também diminui.

Mas, estranhamente, ao nível quântico, a situação muda.

Mesmo numa situação em que não existe luz, ainda há ruído electromagnético – a que se chama de “flutuações do vácuo“.

Enquanto a física clássica nos diz que na ausência de uma fonte de luz estaremos na escuridão perfeita, a mecânica quântica diz-nos que há sempre um pouco desta flutuação ambiente.

“Se olhar para uma superfície plana, parece lisa, mas sabemos que, se aumentar o zoom para um nível super-fino, ela provavelmente não é perfeitamente lisa”, explica Atature.

“A mesma coisa acontece com as flutuações do vácuo. No mundo quântico, temos essa impressão fina. Parece que há zero fotões presentes, mas na verdade há um pouquinho mais do que nada”, diz o cientista.

É aí que as coisas ficam ainda mais estranhas: nas condições quânticas certas, esse limite base do ruído pode ser reduzido ainda mais.

Este estado “menor do que nada” ou “menor do que o vácuo” é o que os físicos chamam de compressão.

Na experiência da equipa de Atature, os investigadores conseguiram esse efeito ao lançar um feixe de laser fraco sobre um átomo artificial, o ponto quântico.

Isso excitou o ponto quântico e provocou a emissão de um fluxo de fotões individuais.

Embora normalmente o ruído associado a essa actividade fotónica seja maior do que um estado de vácuo, quando o ponto foi excitado apenas um pouco, o ruído associado com o campo luminoso caiu, tornando-se menor do que a suposta linha de base de flutuações do vácuo.

Obviamente, Heisenberg

Explicar por que isso acontece envolve física quântica altamente complexa.

Na sua essência está uma regra conhecida como o princípio da incerteza de Heisenberg que define que em qualquer situação em que uma partícula tenha duas propriedades interligadas, não se pode medir uma propriedade, sem alterar a outra – por exemplo, a posição e a velocidade da partícula.

No mundo normal da física clássica, esta regra não se aplica.

Se um objecto está em movimento, podemos medir a sua posição e a sua velocidade sem que a medição de uma altere a outra.

Mas no estranho mundo da física quântica, no entanto, a situação muda.

Heisenberg afirma que apenas uma de duas propriedades interligadas pode ser medida, e a outra deve permanecer incerta.

Atature usou essa regra a seu favor, criando um equilíbrio entre o que poderia ou não ser medido.

Ao espalhar a fraca luz do laser do ponto quântico, o ruído de uma parte do campo eletro-magnético foi reduzido a um nível extremamente preciso e baixo, abaixo da linha de flutuações do vácuo.

Tal foi conseguido à custa de tornar outras partes do campo eletro-magnético menos mensuráveis – o que significa que se tornou possível criar um nível de ruído que era “menor do que nada”, em conformidade com o princípio da incerteza de Heisenberg, e, portanto, com as leis da física quântica.

A determinação da incerteza com que as flutuações do campo electromagnético podem ser medidas num gráfico cria uma forma em que a incerteza de uma parte é reduzida, enquanto a outra é estendida.

Isso cria uma forma “espremida” ou “comprimida” – de onde o termo “espremer” a luz.

Confuso?

Estamos a falar da mesma física que diz que um gato pode estar ao mesmo tempo vivo e morto. Esperava o quê?

ZAP / HypeScience

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