notícia Fótons interagem com fótons, criando moléculas de luz

[Jaimeletron]

Fótons interagem com fótons, criando moléculas de luz

 

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/02/2018

 

Uma possibilidade tentadora seria usar os fótons que interagem entre si para fazer sabres de luz. [Imagem: Christine Daniloff/MIT]

 

Fótons que interagem entre si

 

Faça um experimento rápido: leve duas lanternas para uma sala escura e faça com que os feixes de luz de ambas se cruzem no espaço vazio.

Apenas para lhe poupar um pouco de trabalho, vale adiantar que o resultado será decepcionante: você não observará nada de peculiar. Isso ocorre porque os fótons individuais que compõem a luz não interagem entre si, eles simplesmente passam uns pelos outros, indo iluminar a parede ou o que encontrarem pela frente.

Mas, e se as partículas de luz pudessem ser induzidas a interagir, atraindo-se e repelindo-se como os átomos na matéria comum?

Uma possibilidade tentadora, embora ainda no reino da ficção científica, seria a fabricação de sabres de luz - feixes de luz que poderiam puxar e empurrar um ao outro. Ou, em um cenário mais provável, dois feixes de luz poderiam se encontrar e se fundir em um fluxo luminoso único para fazer coisas como... computações.

Qual é a cor do sabre de luz mais poderoso?

 

Moléculas de luz

 

Pode parecer que esse comportamento óptico exigiria quebrar as leis da física, mas, de fato, ele acaba de ser demonstrado em um experimento bem comportado - sob condições especiais, os fótons de fato interagiram.

Qi-Yu Liang e seus colegas descreveram como os fótons se juntaram em duplas e trios, juntando-se para formar um tipo completamente novo de matéria fotônica - essencialmente, moléculas de luz.

O experimento consistiu em disparar um raio laser muito fraco através de uma nuvem densa de átomos de rubídio ultrafrios - um condensado de Bose-Einstein, uma espécie de átomo artificial, já que, sob temperaturas criogênicas, os átomos de rubídio entram em ressonância e passam a se comportar como se fossem um único átomo.

A surpresa é que, em vez de saírem da nuvem como fótons soltos, espaçados aleatoriamente, o que emergiu foram fótons unidos em pares ou mesmo trigêmeos, sugerindo que algum tipo de interação ocorreu entre eles - neste caso, uma atração.

 

Luz líquida unifica eletrônica e fotônica

 

Os fótons juntaram-se em pares e trios, ganharam massa e ficaram mais lentos. [Imagem: Qi-Yu Liang et al. - 10.1126/science.aao7293]

Interações entre partículas

Embora os fótons normalmente não tenham massa e viajem a quase 300.000 quilômetros por segundo (a velocidade da luz), os fótons ligados na verdade adquiriram uma fração da massa de um elétron. Essas partículas de luz pesadas também se mostraram relativamente lentas, viajando cerca de 100.000 vezes mais devagar do que os fótons comuns.

Estes resultados, se confirmados por outras equipes, demonstram que os fótons podem, de fato, se atrair, ou se entrelaçar, uns com os outros. Como o átomo artificial gerou esse efeito é algo que ainda deverá ser pesquisado. Mas, se for possível fazê-los interagir de outras maneiras, esses fótons pesados poderiam ser usados para realizar cálculos - em processadores quânticos ou fotônicos extremamente rápidos, por exemplo.

Em seu artigo, a equipe se pergunta também se essas interações poderiam ocorrer não apenas entre dois fótons, mas também entre outras partículas.

"Por exemplo, você pode combinar moléculas de oxigênio para formar O2 e O3 (ozônio), mas não O4, e, para algumas moléculas, você não consegue formar nem mesmo uma molécula de três partículas. Então, fica uma questão em aberto: Você poderia adicionar mais fótons a uma molécula para fazer coisas maiores e maiores?" sugeriu o professor Vladan Vuletic, que há algum tempo vem sugerindo a possibilidade real de se criar moléculas de luz, cristais de pura luz e... sabres de luz.

É bom lembrar que, há pouco mais de um ano, uma equipe alemã apresentou uma outra técnica que também permite alterar a luz com a própria luz, uma outra forma de fazer com que fótons interajam com fótons.

 

   Cientistas solidificam a luz

 

Bibliografia:

Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic
Science
DOI: 10.1126/science.aao7293

 

 

Luz líquida unifica eletrônica e fotônica

 

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/08/2016

 

O "mar" de luz líquida emite feixes que podem ser controlados por um campo elétrico. [Imagem: Alexander Dreismann]

Chave de luz

Conforme os transistores ficam cada vez menores, está sendo necessário lidar com os efeitos quânticos associados com átomos e elétrons individuais. Por isso tem havido um esforço crescente na busca de alternativas para o elétron como o transportador primário de informação.

Alexander Dreismann e seus colegas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, encontraram uma dessas alternativas explorando um estado da matéria conhecido como "luz líquida", que permite misturar sinais elétricos e ópticos usando quantidades mínimas de energia.

Eles construíram um novo tipo de chave que é energeticamente muito eficiente, o que significa que o componente pode se tornar a base de futuras tecnologias de processamento de sinais e de transmissão de informações - além de um transístor ser essencialmente uma chave, o componente também funciona como um conversor elétrico-óptico.

Luz líquida

O nome técnico da luz líquida é "Polariton de Bose-Einstein". Os polaritons são quasipartículas que nascem da junção de elétrons com fótons, e estão na base de um campo emergente conhecido como Plasmônica. Um Condensado de Bose-Einstein é um preparado especial da matéria em que milhões de átomos se comportam como se fossem um só, daí ser ele conhecido como átomo artificial.

Luz gasosa e luz líquida

O condensado de Polaritons de Bose-Einstein foi gerado aprisionando a luz entre dois espelhos espaçados por apenas alguns nanômetros, onde os fótons interagem com os elétrons na superfície de placas finas de um material semicondutor, criando uma quasipartícula que é meio luz e meio matéria.

Quando muitos polaritons são colocados no mesmo espaço - um excesso deles para esse espaço - é possível induzir sua condensação, similar à condensação de gotículas de água em um ambiente saturado. Com isto, forma-se um fluido de luz-matéria, ou luz líquida.

Fluido de luz-matéria

O fluido de luz-matéria pode girar no sentido horário (spins para cima) ou anti-horário (spins para baixo), e esse giro pode ser controlado por meio de um campo elétrico.

Como o fluido emite luz com seu spin característico, esse controle funciona como uma chave, alternando os modos de luz que são então coletados e podem ser enviados por meio de fibras ópticas para comunicação.

Na prática, o sistema todo funciona como um meio de converter sinais elétricos em sinais ópticos, um dos grandes gargalos na hora de conectar as rápidas vias de comunicação por luz com os bem mais lentos circuitos lógicos eletrônicos.

"O interruptor de polariton unifica as melhores propriedades da eletrônica e da óptica em um pequeno componente que pode transmitir em velocidades muito altas e usando quantidades mínimas de energia," disse Dreismann.

Como o protótipo funciona a temperaturas criogênicas, devido às características do material semicondutor usado, ele ainda é inadequado para uso prático fora dos laboratórios. Por isso a equipe anunciou que está pesquisando outros materiais que possam operar a temperatura ambiente, de modo que o dispositivo possa ser comercializado.

 

Bibliografia:

A sub-femtojoule electrical spin-switch based on optically trapped polariton condensates
Alexander Dreismann, Hamid Ohadi, Yago del Valle-Inclan Redondo, Ryan Balili, Yuri G. Rubo, Simeon I. Tsintzos, George Deligeorgis, Zacharias Hatzopoulos, Pavlos G. Savvidis, Jeremy J. Baumberg
Nature Materials
DOI: 10.1038/nmat4722

 

Cientistas solidificam a luz

 

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/09/2014

 

Luz cristalizada: inicialmente os fótons fluem facilmente entre os dois qubits, produzindo as grandes ondas à esquerda. A seguir, a luz cristaliza, mantendo os fótons no lugar (direita). [Imagem: Universidade de Princeton]

Cristal de luz

Cientistas garantem ter solidificado a luz, cristalizando os fótons como se eles fossem os átomos na rede cristalina de um sólido.

Não se trata de espalhar a luz através de cristal - a luz se transforma em um cristal, com os fótons ficando fixos no lugar.

Os cientistas já haviam torcido e retorcido a luz, congelado a luz e até construído rodas fotônicas. Mas formar uma rede cristalina de luz é algo inédito.

Moléculas de luz, cristais de pura luz e... sabres de luz

"É algo que nunca vimos antes," disse Andrew Houck, da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. "Este é um novo comportamento para a luz."

Infelizmente, você não conseguirá pegar o cristal de luz na mão, uma vez que esse comportamento exótico cessa tão logo o feixe é desligado, mas os cientistas garantem que o experimento sem precedentes poderá responder a algumas perguntas fundamentais sobre a física da matéria.

Essas perguntas têm sido feitas no esforço para desenvolver materiais com propriedades não encontradas na natureza, como supercondutores que funcionem a temperatura ambiente, e os tão sonhados computadores quânticos.

 

Onda, partícula, sólido

 

Para construir seu cristalizador de luz, James Raftery e seus colegas criaram uma estrutura feita de materiais supercondutores que contém 100 bilhões de átomos projetados para agir como uma entidade única - um átomo artificial.

O aparato é baseado no processador quântico que a equipe vem desenvolvendo desde 2007, no qual átomos artificiais funcionam como qubits.

Pelas regras da mecânica quântica, os fótons em um fio supercondutor que passa ao lado do processador herdam algumas das propriedades do átomo artificial - em certo sentido criando uma conexão entre eles.

Fótons normalmente não interagem uns com os outros, mas, neste sistema, os pesquisadores foram capazes de criar um novo comportamento no qual os fótons começam a interagir como partículas, e não apenas como ondas.

"Essas interações geram então um comportamento coletivo da luz totalmente novo - parecido com as fases da matéria, como os líquidos e cristais estudados na física da matéria condensada," explica Darius Sadri, membro da equipe.

Controlando o funcionamento do átomo artificial no interior do chip e a energia fluindo pelo supercondutor, os pesquisadores podem fazer com que a luz fique "espirrando" de um lado para o outro, como se fosse um líquido, ou simplesmente congele, criando um "cristal de luz".

Ou seja, além de se comportar como onda e como partícula, agora a luz se manifestou como matéria sólida como esta é vista pelas leis da mecânica clássica, criando uma forma simples e direta de interagir e, eventualmente, interferir com a matéria na fronteira quântico-clássica.

 

Detalhe do processador fotônico onde o experimento foi realizado. [Imagem: James Raftery et al. - 10.1103/PhysRevX.4.031043]

 

Construindo a matéria

 

Como o átomo artificial é um qubit por definição, a equipe está entusiasmada com a possibilidade de usar esse novo comportamento da luz para criar novas formas de computação ainda mais eficientes e rápidas do que as que vinham sendo consideradas pela computação quântica.

O protótipo usado no experimento é relativamente pequeno, com apenas dois átomos artificiais emparelhados com um fio supercondutor. Mas a equipe afirma que, construindo um dispositivo maior, e aumentando o número de interações dos fótons, será possível aumentar sua capacidade e simular sistemas mais complexos.

Isto tem a ver com os simuladores quânticos, circuitos capazes de simular de uma única molécula até um material sólido completo a partir dos primeiros princípios quânticos das suas partículas constituintes. É como aprender a construir a matéria de baixo para cima.

Simulador quântico permite pilotar átomos

No futuro, a equipe pretende construir dispositivos com centenas de átomos artificiais, com os quais eles esperam observar fases ainda mais exóticas da luz, tais como superfluidos e isolantes.

"Estamos interessados em explorar - e, finalmente, controlar e dirigir - o fluxo de energia em nível atômico", disse outro membro da equipe, Hakan Tureci. "O objetivo é entender melhor os materiais e os processos atuais e avaliar materiais que ainda não podemos criar."

 

Bibliografia:

Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition
James Raftery, Darius Sadri, Sebastian Schmidt, Hakan E. Tureci, Andrew A. Houck
Physical Review X
Vol.: 4, 031043
DOI: 10.1103/PhysRevX.4.031043

 

Fontes:

 

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fotons-interagem-fotons-criando-moleculas-de-luz&id=010115180222#.WpQnDmrwZpg

 

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=luz-liquida-unifica-eletronica-fotonica&id=010110160809#.WpRmAWrwZpg

 

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cientistas-solidificam-luz&id=010160140912#.WpRmomrwZpg