Físicos brasileiros começam a desvendar mistério da força da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/08/2018

Esquema do experimento inédito que está ajudando a desvendar um mistério que já dura 150 anos.
[Imagem: Tomaz Pozar et al. - 10.1038/s41467-018-05706-3]

Momento e força da luz

A ideia de que a luz tem um momento, podendo exercer uma força sobre a superfície sobre a qual ela incide, foi proposta por Johannes Kepler em 1619, quando ele sugeriu que a pressão da luz solar poderia ser responsável pela cauda dos cometas sempre apontarem para longe do Sol.

Inúmeros experimentos, como os objetos rotativos mais rápidos do mundo e os raios tratores, e até aplicações espaciais, como as velas solares, têm demonstrado que de fato existe uma "pressão de radiação da luz".

Em 1873, James Clerk Maxwell previu que esta pressão de radiação devia-se ao momento que residia dentro dos campos eletromagnéticos da própria luz. É a ideia aceita até hoje, mas ainda estamos longe de uma explicação definitiva sobre o mecanismo inteiro.

"Até agora, não tínhamos determinado como esse momento é convertido em força ou movimento. Como a quantidade de momento transportado pela luz é muito pequena, não tínhamos equipamentos sensíveis o suficiente para resolver isso," explica Kenneth Chau, da Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá.

Agora, dois professores brasileiros idealizaram e orientaram a construção de um experimento que levou os físicos um passo mais perto de detalhar todos os meandros do fenômeno de transformação do momento da luz em movimento.

O experimento foi coordenado pelos professores Nelson Astrath, da Universidade Estadual de Maringá (PR), e por Gustavo Lukasievicz, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

É a primeira vez que a transformação do momento da luz em ondas de movimento na matéria é medida com essa resolução e precisão.
[Imagem: Tomaz Pozar et al. - 10.1038/s41467-018-05706-3]

O mistério do momento da luz

Para medir as interações extremamente fracas entre os fótons de luz e uma superfície sólida, a equipe construiu um espelho especial equipado com sensores acústicos e uma proteção térmica para reduzir ao mínimo as interferências e o ruído de fundo. Eles então dispararam pulsos de laser no espelho e usaram os sensores de som para detectar ondas elásticas induzidas na superfície do espelho geradas pelo impacto dos fótons - como ondas em um lago geradas pela queda de múltiplas pedrinhas.

"Não podemos medir diretamente o momento do fóton, então nossa abordagem foi detectar seu efeito em um espelho 'ouvindo' as ondas elásticas que o atravessaram," descreveu Chau. "Conseguimos rastrear as características dessas ondas de volta ao momento que reside no próprio pulso de luz, o que abre a porta para finalmente definir e modelar como o momento da luz existe dentro dos materiais."

O experimento é importante no avanço da nossa compreensão fundamental da luz, mas também deverá ter implicações práticas.

"Imagine viajar para estrelas distantes em iates interestelares movidos por velas solares. Ou talvez, aqui na Terra, desenvolver pinças ópticas que possam montar máquinas microscópicas," disse Chau. "Ainda não chegamos lá, mas a descoberta neste trabalho é um passo importante e estou animado para ver onde isso nos levará em seguida."

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