Gás feito de luz é criado pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/09/2024

Os polímeros aplicados à superfície reflexiva prendem o gás de fótons em uma parábola de luz (veja a analogia com a mangueira de jardim). Quanto mais estreita for essa parábola, mais unidimensionalmente o gás se comporta.
[Imagem: IAP/Uni Bonn]

Transições de fase da luz

Há pouco mais de uma década os físicos observaram pela primeira vez uma transição de fase da luz, e logo tudo ficou ainda mais enigmático quando se percebeu que a luz líquida tem "comportamento social" e até poder de decisão.

Também já conhecíamos um gás de luz, mas agora físicos alemães criaram um gás de luz unidimensional, o que permitiu que eles testassem previsões teóricas sobre a transição para esse estado exótico da matéria pela primeira vez.

O gás de luz não serve para encher um balão, já que é formado por uma única camada de fótons, assim como a matéria unidimensional, como o grafeno e seus equivalentes, são formados por uma única camada de átomos. Mas uma analogia permite vislumbrar melhor o resultado do experimento.

Imagine que você está em uma piscina e tem a ideia de enchê-la com ainda mais água. Você pega uma mangueira e a usa para lançar um jato de água, que se curva em um arco que finalmente cai na superfície da piscina. O nível da água aumenta brevemente no ponto em que o jato de água atinge a piscina, mas essa mudança no nível da água é mínima porque a água que cai é rapidamente distribuída por toda a extensão da piscina.

O efeito é diferente, no entanto, se você usar o mesmo jato de água para encher uma calha ou um canal estreito. O jato cria uma onda de água no ponto onde você mira a mangueira porque as paredes da calha garantem que a água não possa fluir para os lados, só sendo distribuída na direção longitudinal - quanto mais estreita a calha, maior a amplitude da onda e, portanto, mais "unidimensional" ela se torna.

Leve isto ao extremo, troque as moléculas de água por fótons e use uma calha estreita o suficiente, e você conseguirá criar um gás de luz, descobriram Kirankumar Umesh e colegas das universidades de Bonn e Kaiserslautern-Landau.

Kirankumar Umesh mostra a peça central do experimento, um espelho ressonador impresso com estruturas de polímero.
[Imagem: Volker Lannert/Uni Bonn]

Gás unidimensional de luz

Em seu experimento, os pesquisadores encheram um pequeno recipiente com uma solução de corante e energizaram as moléculas do corante usando um laser. Os fótons resultantes ricocheteavam para frente e para trás entre as paredes reflexivas do recipiente e, sempre que colidiam com uma molécula de corante, eram resfriados até que, finalmente, o gás de fótons se condensou.

A dimensionalidade do gás pode ser influenciada alterando-se as características da superfície reflexiva. "Conseguimos aplicar um polímero transparente às superfícies reflexivas para criar protrusões microscopicamente pequenas," explicou Julian Schulz, membro da equipe. "Essas protrusões nos permitem capturar os fótons em uma ou duas dimensões e condensá-los."

"Esses polímeros funcionam como um tipo de calha, mas neste caso para luz," acrescentou Umesh, referindo-se à analogia com a água. "Quanto mais estreita for essa calha, mais unidimensionalmente o gás se comporta."

Em duas dimensões, há um limite de temperatura preciso no qual a condensação ocorre, semelhante a como a água congela precisamente a zero grau Celsius. "No entanto, as coisas são um pouco diferentes quando criamos um gás unidimensional, em vez de um bidimensional," explicou o professor Frank Vewinger. "As chamadas flutuações térmicas ocorrem em gases de fótons, mas são tão pequenas em duas dimensões que não têm impacto real. No entanto, em uma dimensão essas flutuações podem - figurativamente falando - fazer grandes ondas."

Enchendo o microrressonador com a solução de corante para resfriar os fótons.
[Imagem: Volker Lannert/Uni Bonn]

Gases quânticos degenerados

As flutuações termais destroem a ordem dos sistemas unidimensionais, de modo que diferentes regiões dentro do gás não se comportam mais da mesma forma. Como resultado, a transição de fase, que ainda é definida precisamente em duas dimensões, torna-se cada vez mais "borrada" quanto mais unidimensional o sistema se torna.

No entanto, as propriedades do gás de luz ainda são governadas pela física quântica, como no caso dos gases bidimensionais, e esses tipos de gás são chamados de gases quânticos degenerados. É como se a água se transformasse em uma forma de água gelada em baixas temperaturas sem nunca congelar completamente ao resfriar. "Agora fomos capazes de investigar esse comportamento na transição de um gás de fótons bidimensional para um unidimensional pela primeira vez," disse Vewinger.

E essas investigações mostraram que os gases de fótons unidimensionais não têm um ponto de condensação preciso. E, fazendo pequenas mudanças nas estruturas do polímero reflexivo, torna-se possível investigar fenômenos que ocorrem na transição entre diferentes dimensionalidades em grande detalhe.

Tudo isto ainda é considerado pesquisa básica no momento, mas é possível que possa abrir novas áreas de aplicação para efeitos ópticos quânticos, sugerem os pesquisadores. Afinal, menos de uma década depois de sua demonstração, hoje a luz líquida já é usada na computação, incluindo qubits de luz líquida para computadores quânticos, e com promessas para estabelecer uma ponte entre a eletrônica e a fotônica.

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