Fizemos isto porque é divertido! Descoberta a molécula de fotões.

“Fizemos isto porque é divertido e para desbravarmos as fronteiras da ciência”.

Apesar de ter 2 anos, uma “eternidade” na voragem da actualidade nesta idade sociedade da informação e da desinformação, a frase acima suscitou o maior interesse nos bastidores do AstroPT, dado o seu valor para o Ensino e para a Divulgação das Ciências, e como farol de referência para os mais novos que são sujeitos a muitas pressões na escolha duma profissão ou dum curso para o seu futuro, e pelo significado profundo que tem na natureza das Ciências, ou de qualquer profissão honesta e meritória.

Ter gosto e divertir-se no que se faz, é fundamental para se atingir níveis de excelência. Tanto num excelente sapateiro que desenha e constrói sapatos, como num pescador que sai na sua faina, como num cientista que desenvolve a mais sofisticada nave espacial. Ou num estudante que pense no seu futuro.

E o que se passou, em específico?

Os cientistas de Harvard e do MIT desafiaram a sabedoria convencional sobre a luz, e não precisaram de ir a uma galáxia muito, muito longínqua para o fazer.

Num trabalho desenvolvido com os seus colegas do Centro Harvard-MIT para átomos ultra arrefecidos, um grupo liderado pelo Professor de Física de Harvard Mikhail Lukin e pelo Professor de Física do MIT Vladan Vuletic conseguiu manipular fotões, unindo-os para formar moléculas – ou condensar uma fase da matéria que, até recentemente, tinha sido puramente teórica. O trabalho é descrito num artigo 25 de Setembro de 2013 na revista Nature. E encontra-se disponível no sítio web do Departamento de Física de Harvard: aqui.

Descrição geométrica das formas do Fotão.
Crédito : IOP – Institute of Physics, Reino Unido.

A descoberta, explicou Lukin, vai contra décadas de sabedoria consensual sobre a natureza da luz. O fotões têm sido descritos como partículas sem massa (sem massa invariante, ou restiva, mas com massa relativista) que não interagem uns com os outros – brilham dois feixes de laser um para o outro, adiantou – e eles simplesmente passam um pelo outro.

As “moléculas fotónicas”, no entanto, comportam-se menos como laseres tradicionais e mais como algo que se pode encontrar na ficção científica – a espada de luz / lightsaber !

“A maioria das propriedades da luz que conhecemos originam-se no facto dos fotões não terem massa, e em não interagirem uns com os outros”, disse Lukin. “O que temos feito é criar um tipo especial de meio em que os fotões interagem entre si tão fortemente que começam a agir como se tivessem massa, e unem-se para formar moléculas. Este tipo de fase de ligação fotónica tem sido discutido teoricamente há já bastante tempo, mas até agora não tinha sido observado.

“Não é uma analogia inadequada compará-la com as espadas de laser”, acrescentou o Professor Lukin . “Quando esses fotões interagem entre si empurram-se uns contra os outros e desviam-se uns dos outros. A física nestas moléculas é semelhante ao que vemos nos filmes.”

Vejo que construíste uma espada de laser.
Onde é que acaba?
Não acaba.
Rombo no casco ao longo de todo o sector 5!

Para que os fotões normalmente sem massa se liguem uns aos outros, Lukin e os seus colegas, incluindo o de pós-doutoramento de Harvard Ofer Fisterberg, o ex-aluno de doutoramento de Harvard Alexey Gorshkov e do MIT os estudantes de licenciatura Thibault Peyronel e Qiu Liang, não podiam contar com algo como a Força. Em vez disso recorreram a um aparato com condições mais extremas do que as dos filmes de ficção científica.

Os investigadores começaram por bombear átomos de rubídio para uma câmara de vácuo, utilizando depois laseres para arrefecer a nuvem de átomos para apenas alguns graus acima do zero absoluto. Usando pulsos de laser extremamente fracos, disparam em seguida fotões individuais para a nuvem de átomos.

Quando os fotões entram na nuvem de átomos fria, explicou Lukin, a sua energia excita os átomos ao longo do seu caminho, fazendo com que o fotão desacelere drasticamente.

Como o fotão se move através da nuvem, a energia é passada dum átomo para outro, e, eventualmente, sai da nuvem com o fotão.

“Quando o fotão sai do meio, a sua identidade é preservada”, disse Lukin. [Chama-se meio ao Elemento (por exemplo Rubídio), ou à substância (água) ou conjunto de substâncias (ar) em que a luz se propaga.]

“É o mesmo efeito que vemos com a refracção da luz num copo de água. A luz que entra na água, entrega parte da sua energia para o meio, e dentro dele existe como luz e matéria acopladas. Mas quando sai, é ainda luz.

O processo que aqui ocorre é o mesmo, sendo apenas um pouco mais extremo. A luz é travada consideravelmente, e perde muito mais energia do que durante a refracção.

Quando Lukin e seus colegas dispararam dois fotões para a nuvem, ficaram surpreendidos ao vê-los sair juntos, como uma única molécula.

Qual seria a causa da formação destas moléculas nunca antes vistas?

Um efeito chamado bloqueio de Rydberg, explicou Lukin, que diz que quando um átomo é excitado, os átomos próximos não podem ser animados com a mesma intensidade. Na prática, o efeito significa que, como dois fotões entram na nuvem atómica, o primeiro excita um átomo, mas deve mover-se para a frente antes do segundo fotão poder excitar os átomos próximos.

O resultado, segundo ele, é que os dois fotões se empurram e puxam um ao outro através da nuvem à medida que a sua energia é transferida de um átomo para o próximo.

“É uma interacção fotónica que é mediada pela interacção atómica”, disse Lukin. “Isso faz com que esses dois fotões se comportem como uma molécula, e quando saem do meio eles são muito mais propensos a fazê-lo juntos do que como fotões individuais.”

Não obstante o efeito ser raro, tem também algumas aplicações práticas .

“Fizemos isto porque nos divertimos, e porque estamos a desbravar as fronteiras da ciência”, disse Lukin. “Mas isso alimenta o quadro maior do que estamos fazendo, porque os fotões continuam a ser os melhores meios possíveis para transmitir informação quântica. A desvantagem, porém, tem sido que os fotões não interagem uns com os outros.”

Para construir um computador quântico, explicou, os pesquisadores precisam construir um sistema que possa preservar a informação quântica, e processá-la usando operações lógicas quânticas. O desafio, no entanto, é que a lógica quântica requer interacções entre os quanta individuais, de modo que os sistemas quânticos possam ser mudados para executar o processamento de informações.

“O que nós demonstramos é que este processo nos permite fazer isso”, disse Lukin. “Antes de fazermos um interruptor quântico prático e útil ou uma porta lógica fotónica temos de melhorar o desempenho, por isso estamos ainda ao nível da prova do conceito, mas este é um passo importante. Os princípios físicos que estabelecemos aqui são importantes.”

O sistema pode até ser útil na computação clássica, adiantou Lukin, considerando os desafios do poder de dissipação que os fabricantes de microprocessadores agora enfrentam. Uma série de empresas – incluindo a IBM – têm trabalhado no desenvolvimento de sistemas que dependem de routers ópticos que convertem os sinais de luz em sinais eléctricos, mas esses sistemas enfrentam os seus próprios obstáculos.

Lukin também sugeriu que o sistema poderia um dia ser até usado para criar estruturas tridimensionais complexas – tais como cristais – totalmente gerados pela luz.

“O que poderá vir a ser útil para nós pois ainda não o sabemos, mas é uma nova fase da matéria, por isso estamos esperançosos que possam surgir novas aplicações à medida que continuamos a investigar as propriedades destas moléculas “fotónicas”, disse no final das suas declarações.

Aparato em condições extremas. Crédito: Harvard Gazette

Descritivo do aparato:

Fotões com forte atracção mútua num meio quântico não linear.

|V> = | σ+> + |σ-> Um feixe de laser fraco, linear e polarizado perto da transição |g>|e> a 780 nm é enviado para um gás de Rubídio arrefecido perto da transição |e>|r > a 479 nm. Fortes interacções não lineares entre os fotões σ+- polarizados resultam num vector aleatório.

Notação Bra-ket: os factores contributivos do Ket (os termos no lado direito da equação), no caso a soma dos fotões polarizados resultam na projecção dum vector aleatório no Bra (o termo no lado esquerdo da equação).

Legenda:
QWP Quarter-Wave Plate
HWP Half-Wave Plate
PBS Pulse Based Single (beam).

Mais informações: paper.
Jornal de referência: Nature

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