Superfóton: criada uma nova forma de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2010

Esta é uma ilustração do superfóton. Imagem: Jan Klaers/University of Bonn]

Físicos da Universidade de Bonn, na Alemanha, criaram uma forma totalmente nova de luz, algo que, até recentemente, era apontado pelos cientistas como sendo algo impossível de realizar.

Embora as implicações da realização ainda não tenham sido totalmente exploradas, a técnica poderá ser utilizada para criar fontes de luz parecidas com o laser que operam na faixa dos raios X - um laser de raios X.

Condensado de Bose-Einstein de fótons

Quem acompanha as pesquisas na fronteira da física, sobretudo na computação quântica, já está acostumado com termos como condensado de Bose-Einstein e átomos artificiais.

Para criar os átomos artificiais, os físicos aglomeram e resfriam átomos de rubídio até próximo do zero absoluto. Ao serem concentrados em número suficiente em um espaço suficientemente pequeno, o aglomerado de átomos passa a se comportar como se fosse um átomo único - uma superpartícula, ou um átomo artificial.

O que os cientistas fizeram agora foi um condensado de Bose-Einstein formado por fótons.

A maioria dos físicos afirmava que fazer um condensado de Bose-Einstein de fótons era impossível porque, ao serem resfriados, os fótons simplesmente desaparecem. Até então, parecia ser impossível concentrar e resfriar a luz ao mesmo tempo.

Mas os cientistas alemães derrubaram mais essa impossibilidade usando dois espelhos para aglomerar os fótons e uma camada de moléculas que "engolem" e "cospem" os fótons para resfriá-los.

Laser de raios X

Este superfóton, ou condensado de Bose-Einstein fotônico, é uma forma completamente nova de luz, que tem características que lembram o laser.

Se parecer com o laser já não fosse o bastante, a nova forma de luz tem uma vantagem decisiva sobre ele: "Atualmente nós não somos capazes de fabricar lasers que gerem luz com comprimento de onda muito pequeno, na faixa do ultravioleta ou dos raios X, por exemplo. Com o condensado de Bose-Einstein fotônico isto poderá ser possível," explica o Dr. Jan Klars, um dos autores do experimento.

Isto é particularmente interessante para os fabricantes de chips, que usam laser para gravar os circuitos lógicos nas pastilhas de semicondutores. A miniaturização desses circuitos esbarra justamente no comprimento de onda da luz do laser - comprimentos de onda maiores são menos adequados para um trabalho mais preciso do que os comprimentos de onda menores.

Em princípio, os lasers de raios X permitirão desenhar componentes menores e mais precisos na mesma pastilha de silício, uma vez que os raios X têm um comprimento de onda muito menor do que a dos lasers hoje utilizados.

Há poucas semanas, usando a aniquilação de matéria e antimatéria, cientistas deram os primeiros passos rumos à criação de um laser de raios gama, outro tipo de laser futurístico.

Esquema do experimento onde foi criado o
superfóton. [Imagem: Klaers et al./Nature]

Esfriar a luz?

Concentrar os fótons em um pequeno espaço pode parecer fácil de entender. Mas esfriá-los já não parece tão intuitivo.

Imagine uma lâmpada incandescente. Conforme seu filamento vai se aquecendo, ele começa a brilhar: primeiro fica vermelho, depois amarelo e, finalmente, azul.

Desta forma, cada cor de luz pode ser associada a uma "temperatura de formação", aquela temperatura que causa sua emissão - assim, a luz azul é mais quente do que a luz vermelha.

Mas cada elemento brilha de forma diferente. O ferro, por exemplo, vai emitir luz de forma diferente do tungstênio de que é feito o filamento da lâmpada incandescente.

É por isto que os físicos calibram a temperatura da cor com base em um objeto teórico, chamado de corpo negro. Se um corpo negro for aquecido a uma temperatura de 5.500 graus centígrados, ele terá praticamente a mesma cor da luz do Sol ao meio-dia - a temperatura dos seus fótons sobe.

À medida que o corpo negro é resfriado, em um determinado ponto ele pára de irradiar luz na faixa visível, passando a emitir fótons infravermelhos, que são invisíveis ao olho humano.

Ao mesmo tempo, a intensidade de sua radiação cai - a temperatura dos seus fótons diminui - e o número de fótons se torna cada vez menor, conforme a temperatura cai. É isto que torna tão difícil obter a quantidade necessária de fótons frios necessários para fazer o condensado de Bose-Einstein.

Superfóton

Os cientistas alemães resolveram o desafio usando dois espelhos quase perfeitos, altamente reflexivos, onde um feixe de luz foi posto para ficar refletindo de um lado para o outro.

Entre os dois espelhos eles colocaram uma solução contendo moléculas de pigmentos, com as quais os fótons colidiam periodicamente.

Nessas colisões, as moléculas "engoliam" os fótons e depois os "cuspiam" de volta.

"Durante este processo, os fótons assumem a temperatura do fluido. Eles resfriam um ao outro a partir da temperatura ambiente, e fazem isto sem se perderem no processo," explica o professor Martin Weitz, outro membro da equipe.

Os físicos aumentaram a quantidade de fótons entre os dois espelhos usando um laser para excitar a solução com os pigmentos. Isto permitiu que eles concentrassem as partículas de luz resfriadas tão fortemente que elas se condensaram em um superfóton.

Bibliografia:

Bose-Einstein condensation of photons in an optical microcavity.

Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger, Martin Weitz

Nature

25 November 2010

Vol.: 468, 545-548

DOI: 10.1038/nature09567