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Luz torcida: cientistas torcem e retorcem a luz

Cientistas torcem e retorcem a luz
O dispositivo óptico converte suavemente um tipo de momento angular para o outro, uma demonstração que poderá ter aplicações em comunicações de dados e computação.[Imagem: Marrucci et al./PRL]

Momento angular da luz

Os físicos já sabiam há mais de um século que um feixe de luz pode ter tanto um momento angular quanto um momento linear.

Mas, cerca de 15 anos atrás, eles descobriram que esta rotação vem em duas formas distintas.

Agora, pesquisadores italianos idealizaram um dispositivo óptico que converte suavemente um tipo de momento angular para o outro, uma demonstração que poderá ter aplicações em comunicações de dados e computação.

Imagine que um largo facho de luz polarizada circularmente esteja apontada para você. Conforme você olha para o facho de luz, os vetores do campo elétrico ao longo da face do feixe de luz pareceriam girar como um conjunto de ponteiros de relógio sincronizados.

Momento angular orbital

Agora imagine que os ponteiros do relógio se movem na mesma velocidade, mas estão fora de fase. Congelando o movimento, um relógio no topo do facho de luz pode apontar para três horas, enquanto outro à direita do centro pode apontar para seis horas, e assim por diante em torno do feixe.

Em termos quânticos, o feixe é composto de fótons, cada um revestido das propriedades do facho de luz como um todo. Os "relógios sincronizados" correspondem aos fótons com uma unidade de spin intrínseco, positivo ou negativo, de acordo com o sentido da rotação.

No caso dos "relógios fora de fase", os fótons possuem também o chamado momento angular orbital. Um único fóton pode, em princípio, carrear qualquer quantidade inteira dessa rotação, de menos até mais infinito.

O momento angular orbital é difícil de visualizar, admite Lorenzo Marrucci, da Universidade de Nápoles, na Itália, mas ele interage com a matéria de forma diferente do que o spin.

Se uma partícula fora do eixo em um feixe de luz absorve um fóton com momento angular orbital, ele responde circulando ao redor do feixe, e não girando sobre seu eixo.

É a luz torcida, ou luz trançada.

Luz torcida

Marrucci e seus colegas criaram um dispositivo que inverte a rotação do spin dos fótons ao mesmo tempo em que transfere a mudança de momento angular para o tipo orbital.

Por exemplo, um fóton que entra com unidade de spin "mais um" e sem momento orbital, vai sair com unidade de spin "menos um" e duas unidades de momento angular orbital, mantendo o total constante. Uma aritmética similar se manterá válida para qualquer combinação de spin e momento angular orbital.

O projeto do conversor começa com um dispositivo óptico padrão conhecido como uma placa de meia-onda, feita de um material no qual a luz se move em velocidades diferentes dependendo da direção de seu campo elétrico em relação à estrutura cristalina.

Normalmente uma placa de meia-onda converte a luz circularmente polarizada da direita para a esquerda e vice-versa, o que equivale a mudar o sinal do spin do fóton.

Mas os físicos agora criaram um conversor mais sofisticado, no qual os eixos do cristal do material óptico não têm o mesmo alinhamento ao longo de todo o dispositivo.

Em vez disso, sua orientação muda com sua localização na placa. Com a escolha correta dessa variação o dispositivo não absorve o momento angular do spin quando ele inverte o spin de um fóton, mas sim transforma-o no momento angular orbital do fóton de saída.

Bibliografia:

Optical Spin-to-Orbital Angular Momentum Conversion in Inhomogeneous Anisotropic Media
L. Marrucci, C. Manzo, D. Paparo
Physical Review Letters
28 April 2006
Vol.: 96, 163905
DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.163905




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