Nanotecnologia

Cientistas miniaturizaram a luz

Cientistas miniaturizaram a luz
Microfotografia do ressonador usado para gerar a luz comprimida. A luz é espremida no interior do dispositivo através de um guia de ondas, refletindo em um espelho formado por um conjunto linear de orifícios. [Imagem: Caltech/Amir Safavi-Naeini/Simon Groeblacher/Jeff Hill]

Luz e vácuo

Como você imagina um feixe de luz atravessando o vácuo? Uma viagem absolutamente tranquila e sem qualquer interferência?

Esqueça. O que normalmente chamamos de vácuo - e que, na verdade, é apenas uma baixa pressão - está repleto de flutuações daquilo que os físicos chamam de "vácuo quântico".

Assim, qualquer onda de luz, esteja atravessando um vácuo ou não, é sempre sacudida pelo ruído quântico. E isso é problemático quando se está tentando fazer medições muito precisas, porque o ruído "borra" os picos e vales típicos das ondas clássicas.

Felizmente, o cinto de utilidades quânticas dos físicos tem a solução: a chamada "luz comprimida". Quando a luz é comprimida, diminui-se o impacto do ruído sobre as ondas, o que permite fazer medições mais precisas - de ondas gravitacionais, por exemplo.

Luz comprimida e miniaturizada

Agora, Amir Safavi-Naeini e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) colocaram todo o aparato necessário para comprimir a luz dentro de um chip de silício - esta é a primeira vez que o fenômeno é realizado no largamente disponível silício.

O grupo projetou um sistema miniaturizado que produz um tipo de luz que é mais "silenciosa" em determinadas frequências, o que significa que ela tem menos flutuações do que as flutuações que geralmente estão presentes no vácuo quântico.

Embora outros grupos já tenham produzido luz comprimida antes, o circuito integrado de silício gera uma luz "ultrassilenciosa" - com baixíssimo ruído - e de uma maneira que pode ser mais facilmente adaptada a uma ampla variedade de sensores.

Cientistas miniaturizaram a luz
A linha sólida branca mostra onde a densidade espectral cai abaixo de 1, indicando a presença da luz comprimida para aquela fase e frequência. [Imagem: Amir H. Safavi-Naeini et al./Nature]

"Este sistema vai permitir a construção que um novo conjunto de microssensores de precisão, capazes de superar os limites-padrão definidos pela mecânica quântica," disse o professor Oskar Painter, orientador do grupo. "Nosso experimento reúne, em um minúsculo microchip, muitos aspectos do trabalho que tem sido feito em óptica quântica e medição de precisão ao longo dos últimos 40 anos."

Cancelamento de ruído

Dentro do chip, um guia de ondas injeta uma luz laser em uma cavidade criada por duas pequenas vigas de silício. Nesse ponto, a luz reflete-se para trás e para a frente, graças a pequenos furos - menores do que o comprimento de onda da luz - que efetivamente transformam as vigas em espelhos.

Quando os fótons-partículas atingem as vigas, eles fazem as vigas vibrarem. E a natureza corpuscular da luz introduz flutuações quânticas que afetam essas vibrações.

O truque foi projetar o chip de forma que as vigas devolvam uma parte das flutuações quânticas de volta para a luz, fazendo com que os ruídos de uma e de outra cancelem-se mutuamente - a técnica é similar à tecnologia de cancelamento de "ruído sonoro" utilizada, por exemplo, em fones de ouvido.

Isto permite que o sensor não apenas detecte alterações mais sutis nos feixes que ele está analisando, como também opere com um nível de energia mais baixo, eliminando o problema da inserção de calor no circuito, que diminui a precisão das medições.

Bibliografia:

Squeezed light from a silicon micromechanical resonator
Amir H. Safavi-Naeini, Simon Gröblacher, Jeff T. Hill, Jasper Chan, Markus Aspelmeyer, Oskar Painter
Nature
Vol.: 500, 185-189
DOI: 10.1038/nature12307




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