Energia

Desculpe Sr. Einstein, mas as coisas são mais complicadas

Átomo individual mescla aspectos de partícula e onda da luz
Configuração do experimento que permitiu a observação da luz comprimida.[Imagem: Ourjoumtsev/Nature]

A simplicidade de Einstein

Albert Einstein é um dos maiores expoentes da ciência e tido como um dos maiores gênios da humanidade.

Ele ganhou o Prêmio Nobel ao descrever o efeito fotoelétrico, que está na base, por exemplo, do funcionamento de tecnologias como as células solares.

Assim, a premiação maior de um gênio parece ser merecedora da maior reverência possível.

E é. O que não significa que o trabalho seja definitivo.

A ciência trabalha por aproximações sucessivas. Assim, é comum que a descoberta de ontem seja vista como simplista demais pelos cientistas de hoje.

E isso acaba de acontecer com o efeito fotoelétrico de Einstein.

"Nossa experiência mostra que a luz emitida por átomos individuais é muito mais complexa do que a visão simples de Albert Einstein sobre a foto-emissão," afirmou o Dr. Karim Murr, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha.

E a descoberta veio exatamente de uma área "pouco querida" por Einstein: a mecânica quântica.

Luz: onda e partícula

Na óptica clássica, a luz geralmente é descrita como uma onda. Mas, no nível quântico mais fundamental, essa onda consiste de partículas discretas, chamadas fótons.

Ao longo do tempo, os físicos desenvolveram várias ferramentas para manipular tanto as propriedades de onda quanto as propriedades de partícula da luz.

Por exemplo, eles criaram fontes de fótons individuais, usando átomos únicos, graças à capacidade desses átomos de absorver e emitir fótons um por um - uma luz essencialmente "particulada".

Murr e seus colegas agora demonstraram que a luz emitida por um único átomo pode apresentar uma dinâmica muito mais rica do que esses domínios de onda e partícula isolados - eles podem interagir e se alterar mutuamente.

Átomo individual mescla aspectos de partícula e onda da luz
Um único átomo de rubídio em uma cavidade comprime as flutuações quânticas de um feixe de luz, diminuindo as flutuações de amplitude à custa das flutuações de fase. O efeito na ilustração é exagerado para maior clareza. [Imagem: MPQ/MPG]

Luz comprimida

Interagindo fortemente com a luz dentro de uma cavidade, o átomo modifica as propriedades tipo onda do campo de luz, reduzindo a sua amplitude, ou flutuações de fase, abaixo do nível permitido para a radiação eletromagnética clássica.

Esta é a primeira observação dessa chamada "luz comprimida" - ou luz espremida" - produzida por um único átomo.

A "granularidade" dos fótons em uma onda de luz gera pequenas flutuações da amplitude e da fase da onda.

Nos feixes clássicos, a quantidade mínima de flutuações é a mesma tanto para a amplitude quanto para a fase.

No entanto, criando-se interações entre os fótons, pode-se "comprimir" as flutuações da amplitude abaixo do chamado nível de "ruído de disparo" (shot-noise level) - ou seja, abaixo do limite quântico padrão - à custa de aumentar as flutuações de fase, e vice-versa.

Partícula influencia onda

Na prática, o que os cientistas demonstraram é que as chamadas propriedades de partícula da luz alteram suas propriedades de onda.

As interações fotônicas das mídias ópticas padrão são fracas demais para a observação do fenômeno, exigindo feixes de luz muito brilhantes para serem observadas. Os átomos individuais são candidatos promissores para produzir tais interações em um nível de poucos fótons.

"Normalmente, os objetos quânticos individuais [um átomo, por exemplo] são usados para manipular as propriedades de partícula da luz. É interessante ver que eles também podem modificar as suas propriedades tipo onda, criando luz comprimida observável com feixes de excitação contendo apenas dois fótons em média," disse o Dr. Alexei Ourjoumtsev, coautor da pesquisa.

Da teoria à prática

A capacidade dos átomos individuais para gerar a chamada "luz espremida" foi prevista há 30 anos, mas a quantidade de luz que eles emitem é muito pequena e até agora todas as tentativas de demonstrar experimentalmente essa ideia haviam falhado.

A equipe alemã vem desenvolvendo técnicas sofisticadas ao longo dos últimos anos para resfriar, isolar e manipular átomos individuais, o que lhes permitiu fazer o tão esperado experimento.

E não apenas este. O trabalho da equipe vem rendendo vários frutos ao longo desses anos, tanto no campo da física fundamental quanto nas possibilidades de aplicações tecnológicas futuras:

Bibliografia:

Observation of squeezed light from one atom excited with two photons
A. Ourjoumtsev, A. Kubanek, M. Koch, C. Sames, P. W. H. Pinkse, G. Rempe, K. Murr
Nature
June 30, 2011
Vol.: 474, 623
DOI: 10.1038/nature10170




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