Cientistas fazem átomo de ferro ficar transparente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/02/2012

Múltiplas imagens de dois objetos localizados entre dois espelhos ilustram o princípio da transparência induzida eletromagneticamente aplicada ao núcleo do átomo de ferro-57: a interação dos raios X com as duas camadas de ferro leva a um estado de superposição quântica do ferro e de suas imagens nos espelhos que faz com que os átomos de ferro pareçam transparentes.
[Imagem: Ralf Roehlsberger/DESY]

Computadores ópticos, quânticos ou opto-quânticos

Cientistas alemães tornaram o núcleo de átomos de ferro transparentes usando feixes de raios X.

O feito não vai ajudá-lo a ter carros ou navios transparentes, mas pode ser a base de uma nova tecnologia de computação baseada em luz e, eventualmente, de computadores quânticos assustadoramente rápidos.

Isto porque o experimento permitiu que a equipe descobrisse também uma nova forma de controlar a luz usando apenas luz, o que permite construir um transístor óptico, no qual as correntes elétricas são substituídas por luz.

A técnica, que explora o controle da transmissão e da velocidade da luz - para menos, é claro - usou o fenômeno chamado transparência induzida eletromagneticamente.

O efeito já é conhecido dos físicos há algum tempo, e foi a base de um outro feito recente, com participação de um pesquisador brasileiro, quando foi criado um transístor óptico quântico.

Transparência induzida eletromagneticamente

A transparência induzida eletromagneticamente permite com que materiais opacos, em escala atômica, possam se tornar transparentes para a luz em determinados comprimentos de onda.

Usando um raio laser muito forte, emitindo luz de um determinado comprimento de onda, gera-se uma complexa interação da luz com a eletrosfera de um átomo, as "camadas" onde estão seus elétrons.

O resultado é que o átomo fica transparente para um outro comprimento de onda da luz.

Ou seja, usando um pulso de luz laser, controla-se a passagem de outro feixe de luz, de outra cor, pelo átomo, caracterizando o funcionamento de um transístor de luz, ou óptico.

O que os físicos fizeram agora foi demonstrar que esse efeito de transparência ocorre também para os raios X quando estes são disparados contra o núcleo atômico do ferro-57, que compreende cerca de 2% do ferro que ocorre naturalmente na Terra.

E, em contraste com os experimentos anteriores, que sempre utilizaram fontes de laser muito intensos, a equipe descobriu que, para os raios X, a energia necessária é muito baixa, o que abre novas perspectivas de utilização do fenômeno em outros experimentos ou em aplicações práticas, como na computação quântica.

Como fazer o ferro ficar transparente

O experimento funciona assim: os cientistas posicionaram duas finas camadas de ferro-57 no interior de uma cavidade óptica, um espaço formado por dois espelhos paralelos de platina, que forçam os raios X a ficar indo para a frente e para trás múltiplas vezes.

As duas camadas de átomos de ferro-57, cada uma com aproximadamente três nanômetros de espessura, são mantidas em uma posição muito precisa entre os dois espelhos de platina usando camadas de carbono, que é transparente para os raios X do comprimento de onda utilizado no experimento.

O sanduíche inteiro, medindo 50 nanômetros de espessura, recebe um feixe extremamente fino de raios X, disparado em um ângulo muito baixo.

Lá dentro, a luz é refletida para frente e para trás várias vezes, gerando uma onda estacionária, uma ressonância.

O ferro se torna quase transparente para os raios-X quando o comprimento de onda da luz e a distância entre as duas camadas de ferro ficam em uma proporção precisa - uma camada de ferro deve ser estar exatamente no mínimo da ressonância de luz, e a outra exatamente no máximo.

Quando as camadas são deslocadas no interior da cavidade óptica o sistema torna-se imediatamente não transparente, o que permite o controle do efeito.

Efeito quântico óptico

Os cientistas atribuem este fenômeno a um efeito quântico óptico, causado pela interação dos átomos no interior das camadas de ferro.

Ao contrário do que ocorre nos átomos individuais, os átomos dentro de uma cavidade óptica absorvem e irradiam a luz em sincronia.

Graças à geometria precisa deste experimento, suas oscilações cancelam-se mutuamente, o que faz com que o ferro se torne transparente.

A ilustração acima ajuda a entender o fenômeno, mostrando múltiplas imagens das duas camadas de ferro-57: a interação dos raios X com as duas camadas leva a um estado de superposição quântica do ferro e de suas imagens nos espelhos, que faz com que os átomos de ferro pareçam transparentes.

Em contraste com os experimentos anteriores com a transparência induzida eletromagneticamente, apenas alguns poucos fótons são necessários para gerar este efeito agora verificado com os raios X.

"Sem dúvida que há ainda um longo caminho a percorrer até que o primeiro computador quântico com luz se torne realidade. No entanto, com este efeito nós criamos uma classe completamente nova de experimentos de óptica quântica de alta sensibilidade," disse Ralf Röhlsberger, que realizou os experimentos.

Certamente, mas o fato de fazer um transístor totalmente óptico funcionar com apenas alguns fótons é um passo importante nessa área ainda incipiente. Enquanto outras linhas de experimentos com a computação quântica trabalham em ambientes criogênicos, aqui, cada fóton adicional significa calor gerado no circuito, inviabilizando configurações maiores, com muitos transistores ou muitos qubits.

Freando a luz

Uma consequência natural do comportamento da luz no interior do sanduíche usado pelos cientistas é que, ao ficar refletindo no interior da cavidade óptica, a luz viaja de um ponto a outro a uma velocidade muito menor do que os seus costumeiros 300.000 km/s - tomando-se como referência um ponto antes e um ponto depois do sanduíche.

O experimento não foi projetado para saber qual a velocidade que a luz atingiu, mas outros estudos, como os da professora Lene Hau, veem explorando esse efeito para a construção de processadores ópticos - ou de um "buraco negro atômico".

Existe a possibilidade de usar o efeito da luz mais lenta - e, eventualmente, da luz totalmente paralisada - para guardar informações binárias, formando a memória de um computador quântico, ou de um computador óptico, ou mesmo de um computador opto-quântico.

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