Experimento da dupla fenda é refeito no tempo, em vez de no espaço

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/04/2023

A versão tradicional do experimento da dupla fenda já foi filmado em tempo real - funciona mesmo se for disparado um único fóton.
[Imagem: Juffmann et al. - 10.1038/nnano.2012.34]

Dupla fenda temporal

Físicos recriaram o famoso experimento da dupla fenda, que mostra a luz se comportando como partícula e como onda - só que agora eles fizeram isto no tempo, e não no espaço.

No experimento original, a luz que passa por duas fendas paralelas, feitas em um material opaco, produz um ponto mais brilhante na tela sensível que fica por trás, com um padrão de franjas claras e escuras em ambos os lados. Se o fóton fosse apenas uma partícula, mas não uma onda, não haveriam franjas, só dois amontoados de partículas - hoje se sabe que isso funciona não apenas para fótons, mas também para elétrons, nêutrons e até átomos inteiros.

Agora, Romain Tirole e colegas do Imperial College de Londres reconstruíram o experimento usando "fendas" no tempo, em vez de no espaço.

Eles conseguiram isso disparando luz através de um material que muda suas propriedades em femtossegundos (quadrilionésimos de segundo), permitindo que a luz passe apenas em momentos específicos, em rápida sucessão.

Na versão clássica do experimento, a luz que sai das fendas físicas muda de direção, então o padrão de interferência é escrito no perfil angular da luz.

Na versão temporal, as fendas de tempo alteram a frequência da luz, o que altera sua cor. Isso criou cores de luz que interferem umas nas outras, realçando e anulando certas cores para produzir um padrão do tipo interferência - essencialmente, franjas coloridas.

"Nosso experimento revela mais sobre a natureza fundamental da luz, ao mesmo tempo servindo como um trampolim para a criação de materiais melhores, que possam controlar com precisão a luz no espaço e no tempo," disse o professor Riccardo Sapienza.

Padrão de difração espectral da dupla fenda temporal.
[Imagem: Romain Tirole et al. - 10.1038/s41567-023-01993-w]

Cristais do tempo e buracos negros

O material que a equipe usou foi uma fina película de óxido de índio-estanho, ou ITO, o material condutor transparente que forma a maioria das telas dos celulares.

Mas ele foi trabalhado para se tornar um metamaterial, um material artificial com propriedades não existentes em materiais encontrados na natureza. Para isso, a camada de 40 nanômetros de ITO foi posta entre duas outras camadas, uma de ouro e outra de vidro.

A película teve sua refletância alterada por lasers em escalas de tempo ultrarrápidas, criando as "fendas" para a luz - o material respondeu muito mais rápido ao controle do laser do que a equipe esperava, variando sua refletividade em alguns femtossegundos (10^-15 segundo).

Dois pulsos curtos (bombeamento) atuam como fendas, cada uma transformando brevemente a camada do semicondutor transparente em um metal refletivo; um terceiro pulso atua como sonda, tendo seu espectro de frequência ampliado à medida que passava pela dupla reflexão.

Os pulsos de sonda refletidos apresentam uma largura de banda inicial ampliada por um fator de quase dez. Mais importante, esse espectro contém uma série de picos que se tornam progressivamente menores a partir da frequência portadora central do pulso. Além disso, esses picos ficam mais distantes quanto menor o retardo entre os pulsos de bombeamento - uma autêntica difração temporal.

Romain Tirole ajusta o equipamento onde foi demonstrada a dupla fenda temporal.
[Imagem: Thomas Angus/ICL]

Metamateriais temporais

Esse controle preciso da luz é uma das promessas dos metamateriais e, quando associado ao controle espacial, pode criar novas tecnologias e até mesmo análogos para estudar fenômenos físicos fundamentais, como buracos negros.

"O experimento das duplas fendas de tempo abre as portas para uma espectroscopia totalmente nova, capaz de resolver a estrutura temporal de um pulso de luz na escala de um período da radiação," disse o professor John Pendry.

Na verdade, a equipe já está planejando dar o próximo passo em sua pesquisa avançando uma das áreas mais interessantes e pouco compreendidas da física: Os cristais de tempo - um cristal do tempo é análogo a um cristal atômico, mas no qual as propriedades ópticas variam com o tempo.

"O conceito de cristais de tempo tem o potencial de levar a interruptores ópticos paralelizados ultrarrápidos," justificou o professor Stefan Maier.

Mais tópicos