Magnetismo da luz é medido diretamente pela primeira vez

Michael Schirber - Physical Review Focus - 05/10/2010

Colocando o "magnético" de volta no "eletromagnético". Neste esquema, uma onda de luz estacionária é gerada no interior de uma cavidade fotônica, com picos de campo magnético (azul) e elétrico (vermelho). Os pesquisadores caracterizaram o campo magnético com uma sonda equivalente a um anel metálico.
[Imagem: D. van Oosten/AMOLF]

Campos da luz

A luz é uma onda contendo tanto campos elétricos quanto magnéticos, mas quando essas ondas atingem a matéria é quase impossível detectar diretamente o efeito muito mais fraco do componente magnético.

Agora, dois grupos de pesquisa independentes demonstraram que uma minúscula sonda metálica interage fortemente com o campo magnético de ondas de luz presas em uma espécie de "caixa" semicondutora, permitindo sua medição direta pela primeira vez.

Conforme descrito em um par de artigos no exemplar de 17 de Setembro da Physical Review Letters, a técnica poderá ser usada para medir as propriedades magnéticas de alta frequência de objetos em escala nanométrica, ou para mapear o campo magnético no interior dos chamados metamateriais, que podem controlar a luz de maneiras inusitadas.

Interação entre luz e matéria

Quando a luz interage com a matéria, o resultado dominante é frequentemente um "chacoalhão" dos elétrons para cima e para baixo em resposta ao campo elétrico. Essa interação é aproximadamente 10.000 vezes maior do que a ação "rodopiante" do campo magnético de uma onda de luz.

A situação é diferente com os metamateriais, que contêm componentes minúsculos, como anéis metálicos, que são frequentemente ajustados para apresentar uma resposta otimizada aos campos magnéticos. Graças a essa sensibilidade, a luz que viaja através de um metamaterial pode se curvar de maneiras inusitadas, viabilizando dispositivos como lentes perfeitas e mantos da invisibilidade.

Anteriormente, os pesquisadores podiam medir a interação magnética entre a luz e alguma forma de matéria apenas subtraindo a interação elétrica dominante a partir do efeito total da luz.

Microcavidade de cristal fotônico

Agora, dois grupos experimentalistas conseguiram isolar diretamente o efeito do campo magnético. Eles trabalharam com um tipo de dispositivo bidimensional chamado microcavidade de cristal fotônico.

O cristal é fabricado perfurando-se pequenos orifícios ordenados em uma fina tira de material semicondutor, criando uma espécie de microcartão perfurado. A cavidade é feita deixando uma pequena região sem perfurações e fazendo a rede de buracos ao seu redor funcionar como paredes espelhadas que mantêm a luz infravermelha circulando ao redor da cavidade como se fossem ondas estacionárias.

Nos últimos anos, pesquisadores vêm caracterizando a luz aprisionada em cavidades fotônicas colocando a ponta afilada de uma fibra óptica a poucos nanômetros da superfície. Esta sonda perturba o campo elétrico e muda a luz aprisionada para comprimentos de onda mais longos.

Os novos experimentos usaram uma fibra óptica com a ponta recoberta por uma fina camada de alumínio, exceto sua extremidade final. Esse "tubo" de metal funciona como um anel de algumas centenas de nanômetros de diâmetro.

Deslocamento para o azul

As duas equipes ficaram inicialmente surpresas ao descobrir que esses anéis metálicos causam um deslocamento para o azul da luz aprisionada.

Mais tarde eles perceberam que, segundo a eletrodinâmica clássica, o campo magnético oscilante da luz induz uma corrente no anel metálico, que por sua vez cria um campo magnético secundário que aponta na direção oposta à da direção do campo original.

Este campo secundário anula uma parte do campo magnético no interior da cavidade e, assim, reduz o volume disponível para a luz aprisionada. Menos volume significa comprimentos de onda menores, mais azuis.

"É como tocar guitarra", diz Tobias Kampfrath do Instituto FOM de Física Atômica e Molecular (AMOLF), em Amsterdã. "Se você coloca cordas mais curtas na guitarra, os comprimentos de onda ressonante também diminuirão."

A equipe de Kampfrath foi capaz de medir uma mudança para o azul de cerca de 0,03 por cento. Seu grupo combinou esse resultado com uma estimativa para o campo magnético máximo da cavidade para obter as propriedades magnéticas do seu nanoanel metálico.

Os resultados coincidem com as expectativas teóricas.

Assim, os autores sugerem que esse método poderia ser usado para medir a resposta magnética de outros pequenos objetos, como os nanotubos de carbono ou mesmo átomos individuais. Eles também realizaram recentemente uma variante deste experimento, no qual usaram uma ponta com um anel aberto para estudar o campo magnético da luz em propagação, não aprisionada.

Mapa do campo magnético

O experimento do outro grupo foi similar, exceto que eles recolheram diferentes informações da interação magnética. Em vez de medir as propriedades do anel, Silvia Vignolini e seus colegas movimentaram sua ponta óptica revestida de metal sobre a superfície do cristal fotônico para construir uma imagem mostrando os padrões espaciais do campo magnético.

"A imagem em si é linda," diz Claus Ropers, da Universidade de Göttingen, na Alemanha, "mas o avanço verdadeiro destes trabalhos está na extração quantitativa e no potencial de controle sobre as interações magnéticas locais e a intensidade do acoplamento."

Harald Giessen, da Universidade de Stuttgart, compara as experiências com o trabalho de Heinrich Hertz, no final do século 19, que usou uma antena em formato de anel para mapear os campos magnéticos das ondas de rádio.

Giessen acredita que estas novas técnicas de sondagem provarão ser muito úteis na fabricação de novos dispositivos ópticos.

Foi apenas em 2009 que os cientistas construíram pela primeira vez um sensor para visualizar o magnetismo da luz.

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