Luz é fotografada como partícula e onda ao mesmo tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/03/2015

Fotografia "espaço-energética" da luz confinada em um nanofio, mostrando simultaneamente a interferência espacial (aspecto onda) e a quantização de energia (aspecto partícula) de um fóton.
[Imagem: Fabrizio Carbone/EPFL]

Dualidade

Diversas técnicas já permitiram a observação dos fótons como partículas ou seu comportamento como ondas, inclusive em escala macroscópica.

Contudo, embora muitos hoje considerem que a função de onda seja uma entidade real, até agora não tinha sido possível visualizar um fóton como partícula e como onda ao mesmo tempo.

Foi justamente isto que afirmam ter feito Luca Piazza e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça.

Foto de um fóton

Embora traçar a onda equivalente a uma partícula não represente um problema insolúvel, fazer uma fotografia é outra coisa. Por exemplo, são necessários fótons para gerar uma imagem: então, como fotografar um fóton?

Piazza deu um jeito nisto idealizando um experimento no qual são usados elétrons para fazer as imagens dos fótons.

Quando um pulso de laser é disparado sobre um nanofio, o laser adiciona energia às partículas carregadas, fazendo-as vibrar e se movimentar, com os fótons podendo viajar em sentidos opostos nesse nanofio. Mas, quando se chocam, eles formam uma nova onda que se comporta como se nunca saísse do lugar - este é um dos fundamentos da plasmônica.

Essa "onda estacionária" é a musa que posou para a fotografia feita pelos pesquisadores.

Fóton como partícula e como onda

O truque consistiu em disparar uma corrente de elétrons próximo ao nanofio. Conforme os elétrons interagem com a "onda-musa de luz", eles podem ter sua velocidade aumentada ou reduzida.

Usando um microscópio ultrarrápido, a equipe suíça detectou o ponto exato no espaço onde essa mudança de velocidade ocorria. Com elétrons suficientes para fazer o contorno todo, eles conseguiram "visualizar" a onda estacionária, cuja existência demonstra a natureza de onda da luz.

Ocorre que, quando os elétrons atingem o fóton - a onda estacionária - sua alteração de velocidade ocorre mediante uma troca de pacotes de energia (quanta) entre os elétrons e os fótons. Detectando esses pacotes de energia os pesquisadores puderam também fazer uma imagem do fóton como partícula.

Ilustração do experimento que fotografou a luz como partícula e como onda ao mesmo tempo.
[Imagem: Fabrizio Carbone/EPFL]

Filme da mecânica quântica

"Este experimento demonstra que, pela primeira vez, nós podemos filmar a mecânica quântica - e sua natureza paradoxal - diretamente," disse o professor Fabrizio Carbone, coordenador da equipe.

O pesquisador afirma que o experimento poderá ajudar no desenvolvimento de novas tecnologias.

"Essa capacidade de fotografar e controlar fenômenos quânticos em escala nanométrica abre uma nova rota rumo à computação quântica," disse ele.

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