Descoberta uma nova forma de luz.

Representação artística da propagação de luz oca no interior do feixe, com propriedades fermiónicas, ou da matéria.
Crédito Getty Images/Cultura RF

11 de maio de 2016

Os Físicos da Faculdade Trinity College de Dublin de Física e do Instituto Crann, igualmente do Trinity College, descobriram uma nova forma de luz, com impacto na nossa compreensão da natureza fundamental desta forma de radiação.

Nota de Contexto:

As partículas fundamentais do Modelo-padrão da Física de Partículas são excitações dos campos-forças e dividem-se em 2 famílias:

1- Bosões: partículas de energia sob a forma de radiação, que transportam, ou medeiam, essa informação, propagando-a nos campos-forças. Não têm massa invariante, e as que têm são as excepções da força fraca, levando à descoberta do Bosão de Higgs, para reequilibrar o jogo simétrico com as partículas do ponto 2.

Exemplos: Fotão, campo-força do Electromagnetismo, daí a palavra mais familiar fotão-grafia, ou fotografia. Bosão de Higgs, ou o Gluão que medeia a força forte, “gluando” e carrega a carga da cor. As propriedades destas partículas estão bem explicadas (numa ordem de precisão incrível) pelas estatísticas de Bose-Einstein. Têm momento angular intrínseco, ou spin de número inteiro (0,1,2), e devem a sua designação ao gigante indiano das Ciências, o Físico Satyendra Nath Bose, que deu o nome aos Bosões.

Por este spin que faz lembrar uma rotação, os bosões conseguem andar encavalitados no mesmo espaço, sendo indiferente a quantidade de fotões para se determinar o seu nível de energia. Ocupam o mesmo espaço sem problemas, são muito amigos uns dos outros.

2- Fermiões: partículas da energia sob a forma de matéria, que têm massa invariante, estão bem explicadas (numa ordem de precisão incrível) pelas estatísticas do Físico italiano Enrico Fermi, outro gigante das ciências que deu o seu nome a este grupo da matéria do dia-a dia.

Têm momento angular intrínseco, ou spin, de número fraccionado. Exemplos: os quarks, os neutrinos e os electrões, que têm spin de 1/2. Não se dão lá muito bem uns com os outros. Não gostam de ocupar o mesmo espaço e repelem-se entre si. Podem andar bem perto, numa valsa de spin oposto e de estrutura fina, ou até mesmo ultra-fina, mas nunca ocupam o mesmo espaço. Amigos amigos mas trajectórias à parte.

Resumo:

1) Bosões: radiações, spin de número inteiro.
2) Fermiões: matéria, spin de número fraccionado.

Uma das propriedades mensuráveis de um feixe de luz é o momento angular. Até agora, pensava-se que em todas as formas de luz o momento angular seria um múltiplo da Constante de Planck, a constante física da acção, que define a escala dos efeitos quânticos.

A constante da acção define as energias dos electrões, quando estes se apresentam mais calmos junto do núcleo dum átomo, ficando mais ligados a este (como um íman no frigorífico) ou quando estes estão excitados, e saltam para orbitais mais afastadas do núcleo do átomo, ficando mais soltos (também como um íman no frigorífico). Logo, ao definir o nível de energia, define também o espaço probabilístico específico que estes electrões vão ocupar na nuvem atómica, e define a distância a que ficam, probabilisticamente, do núcleo.

Como estes saltos dos electrões se registam, nesta explicação simplificada, à velocidade da luz, este saltitar fica muito bizarro, pois é tão depressa e em escalas tão pequenas que os electrões ocupam um espaço relativo muito grande e existem em 3 estados em simultâneo: onde estavam, para onde vão e o caminho que percorrem.

Absorvem fotões e a energia assim absorvida excita-os, mas têm tendência a regressar à calmaria (ao chamado estado fundamental), libertando energia sob a forma de luz, emitindo fotões.

Resumo: um electrão fica excitado e foge de casa, da nuvem atómica, ao absorver fotões; e fica calmo e regressa a casa ao libertar fotões.

Por isso, todas as partículas se definem como animais a brincar no parque.

Animais = partículas
A brincar = a interagir, entre elas e com o
Parque = os campos-forças

Mas eis que as experiências, baseadas na matemática bizarra e probabilística da mecânica quântica, nos reservam um descoberta incrível sobre a luz, nos quanta (quanta = plural de quantum) que a transportam, o fotão.

A Constante de Planck foi descoberta pelas cores associadas à luz, pelos fotões terem níveis de energia consoante são azuis (mais alta, temperatura mais elevada) ou vermelhos (mais baixa, temperatura menos elevada), o que não deixa de ser curioso porque é o contrário do que pensamos intuitivamente, a julgar pelas torneiras nas casas de banho.

Foi outro gigante, o dinamarquês Niels Bohr, quem associou o nível de energia da luz ao nível de energia dos electrões, construindo assim, num assomo fabuloso de presença de espírito, um modelo do átomo que finalmente explicava o átomo do Hidrogénio.

Modelo do átomo de Bohr. Explicava os níveis de energia dos electrões e dos fotões do átomo do Hidrogénio, confirmando os quantas com as linhas de absorção e de emissão do espectro do elemento mais simples da Tabela Periódica. 

Modelo que estava de acordo com as linhas de emissão do átomo do Hidrogénio.

Falámos de mecânica quântica, foi assim que esta saiu do seu estado pré-infantil (séculos 18 e 19) e cresceu para os computadores, laseres e sistemas de comunicação de fibra óptica dos nossos dias. Entre muitas outras aplicações da sua adolescência.

Vislumbramos hoje os primeiros sinais de maturidade e da idade adulta da mecânica quântica e relatamos o comunicado da Descoberta:

Agora, o recém doutorado Kyle Ballantine e o Professor Paul Eastham, ambos do Colégio de Física do Trinity College de Dublin, em conjunto com o professor John Donegan do Instituto Crann, demonstraram que existe uma nova forma de luz em que o momento angular de cada fotão (a partícula mediadora da luz visível) apresenta apenas metade desse valor. Essa diferença, embora pequena, é profunda. Estes resultados foram publicados recentemente na revista Science Advances.

Comentando sobre o seu trabalho, o Professor Assistente Paul Eastham acrescentou: “Nós estamos interessados em descobrir como poderemos mudar a forma como a luz se comporta, e como poderá isso ser útil. O que é tão emocionante neste resultado é que mesmo essa propriedade fundamental da luz, que os físicos sempre pensaram ser fixa, pode ser alterada “.

Já o Professor John Donegan exemplifica: “A minha pesquisa concentra-se na nanofotónica, que é o estudo do comportamento da luz à escala nanométrica. Um feixe de luz é caracterizado pela sua cor ou comprimento de onda e por uma quantidade menos familiar, conhecida como momento angular. O momento angular mede quanto algo está girando. Um feixe de luz, embora se propague em linha recta, pode também ser rotativo em torno do seu próprio eixo. Então, quando a luz do espelho atinge os seus olhos no despertar da manhã, cada fotão, de uma forma ou de outra, torce um pouco o seu olho. ”

Exemplo da fotónica no estudo da miopia num porquinho-da-índia.
Colaboração: ResearchGate

“A nossa descoberta vai ter impactos reais para o estudo das ondas de luz em áreas como a segurança das comunicações ópticas.”

O Professor Stefano Sanvito, Director do Instituto Crann, salientou: “O tema da luz sempre foi de interesse para os físicos, sendo ao mesmo tempo documentado como uma das áreas da física melhor compreendida. Esta descoberta é um avanço tanto para o mundo da física como para a ciência. Estou muito contente de ver mais uma vez o Instituto Crann e o Trinity College de Física produzirem pesquisa científica fundamental que desafia a nossa compreensão da luz. ”

Para fazer esta descoberta, a equipa envolvida usou um efeito descoberto na mesma instituição há quase 200 anos.

Na década de 1830, o matemático William Rowan Hamilton e o físico Humphrey Lloyd descobriram que, ao passar através de certos cristais, um raio de luz transforma-se num cilindro oco. A equipa usou este fenómeno para gerar feixes de luz com uma estrutura em parafuso.

[refere-se à refracção cónica, verificada em estruturas de cristais bi-axiais].

Refracção cónica, o fenómeno esquecido.
Todor Kalkandjiev, Conerefringent Optics SL, Barcelona, Spain

Analisando estes feixes à luz da teoria da mecânica quântica, previram que o momento angular do fotão seria um número fraccionado, e conceberam uma experiência para testar a sua previsão. Usando um dispositivo especialmente construído para esse objectivo, foram capazes de medir o fluxo do momento angular num feixe de luz. Também lograram, pela primeira vez, medir as variações desse fluxo causadas pelos efeitos quânticos. As experiências revelaram uma pequena mudança, 1/2 da Constante de Planck, no movimento angular de cada fotão.

Os físicos teóricos têm especulado desde a década de 1980 sobre a forma como a mecânica quântica funciona para as partículas que são livres de se moverem em apenas duas das três dimensões do espaço. Descobriram que isso permitiria novos e estranhos quanta, incluindo partículas cujos números quânticos seriam fracções dos espectáveis. Este trabalho demonstra, pela primeira vez, que estas especulações podem ser realizadas com a luz.

O artigo científico pode ser lido aqui.

Contacto com a imprensa:
Thomas Deane, Assessor de Imprensa para a Faculdade de Engenharia, Matemática e Ciências

Olaf Medenbach, Ruhr-Universität Bochum Atlas of Optical Crystallography
Olaf Medenbach Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik Ruhr-Universität.