Exótico gás de luz fica infinitamente quente ou vai abaixo do zero absoluto

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/04/2023

Esquema do aparato experimental usado pela equipe, envolvendo milhares de quilômetros de fibras ópticas.
[Imagem: Muniz et al. - 10.1126/science.ade6523]

Gás de fótons

Quando o brasileiro André Luiz Muniz começou a medir uma sequência de pulsos de luz, que viajaram milhares de quilômetros através de rolos de fibras ópticas, ele e seus colegas da Universidade de Jena, na Alemanha, não esperavam pelos resultados que iriam obter.

Em vez de seguirem na mesma sequência em que foram emitidos, eventualmente sofrendo os efeitos da refração e de defeitos nas fibras, o que se viu foi que os pulsos de luz começaram a se organizar depois de alguns poucos quilômetros, passando a se comportar como se fossem moléculas de um gás comum, como o ar - só que é algo como um "gás de fótons".

Em um gás, as partículas se movem para frente e para trás em velocidades diferentes, mas ainda têm uma velocidade média definida por sua temperatura. Embora os pulsos de luz continuem se propagando através da fibra de vidro a uma velocidade média de cerca de 200.000 quilômetros por segundo, quando o gás de fótons se forma eles não são mais todos igualmente rápidos: "A distribuição estatística de suas velocidades é exatamente igual à de um gás convencional com temperatura fixa," contou o professor Ulf Peschel, coordenador da equipe.

Mais frio que o zero absoluto

E não foi só isso.

Ao começar a "cutucar" esse gás de luz, os pesquisadores descobriram que ele pode até mesmo ser resfriado por um processo termodinâmico trivial, chamado expansão adiabática. Como em um gás comum, as diferenças de velocidade dos fótons diminuem durante o resfriamento, e a ordem na sequência do sinal aumenta automaticamente. Então, quando a temperatura se aproxima do zero absoluto, todos os pulsos passam a se propagar exatamente na mesma velocidade.

"Para esse estado, que até agora só havia sido descrito teoricamente para a luz, uma temperatura abaixo do zero absoluto é matematicamente assumida," disse Peschel.

Ou seja, a equipe conseguiu criar um gás de fótons com temperatura negativa - abaixo do zero absoluto, ou 0 Kelvin - e demonstrar pela primeira vez que ele continua obedecendo às leis convencionais da termodinâmica, em um exemplo inesperado de mesclagem de características quânticas com características clássicas.

O gás de luz pode ser aquecido e resfriado como um gás comum, obedecendo às leis da termodinâmica.
[Imagem: Muniz et al. - 10.1126/science.ade6523]

Mais quente que o infinito

O processo inverso também é possível, com as diferenças de velocidade aumentando quando o gás óptico é aquecido.

E aqui também as coisas não deixam de ser interessantes: Se todas as velocidades dos pulsos ocorrerem com a mesma frequência, a desordem é máxima e a temperatura é infinita - um estado que não pode ser alcançado em um gás real porque exigiria uma quantidade infinita de energia.

"Em contraste, uma modulação periódica do índice de refração pode limitar a faixa de velocidades de pulso permitidas na fibra de vidro. Dessa forma, todos os estados de velocidade disponíveis podem ser igualmente excitados, criando um gás de fótons de temperatura infinita. Se ainda mais energia for adicionada, estados de velocidades extremas são preferencialmente preenchidos - o gás de fótons se torna mais quente do que infinitamente quente," explicou Peschel.

Além das novidades um tanto contraintuitivas para a física fundamental, a equipe acredita que seus resultados terão efeitos práticos porque conjuntos de fótons viajando em fibras ópticas é algo trivial nas tecnologias cotidianas.

"Se levarmos em consideração as leis da termodinâmica, podemos tornar a transmissão óptica de dados mais robusta e confiável, por exemplo estruturando distribuições de pulsos para melhor corresponder às distribuições térmicas," disse Peschel. "Nossos resultados vão contribuir para uma melhor compreensão do comportamento coletivo de grandes conjuntos de sinais ópticos."

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