Físicos unem dois fótons para formar uma nova quasipartícula

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/03/2021

Embora formadas por dois fótons, as quasipartículas têm massa.
[Imagem: D. V. Skryabin et al. - 10.1103/PhysRevResearch.3.L012017]

Polaritons fóton-fóton

Físicos descobriram um meio de criar uma nova quasipartícula "interligando" dois fótons - partículas fundamentais da luz - de cores diferentes.

Em vez de se misturarem e formarem uma cor mista, os dois fótons ficam acoplados um ao outro, com o par se comportando como uma partícula - uma quasipartícula.

O par fóton-fóton apresenta seu próprio momento e sua própria energia, permitindo aos pesquisadores aplicar o conceito de quasipartícula e até calcular sua massa - de acordo com as previsões da equipe, os fótons-fótons são mais de 1.000 vezes mais leves do que os elétrons.

Assim, confirmada sua existência, eles batizaram suas novas quasipartículas de "polaritons fóton-fóton". Polaritons são quasipartículas que nascem da junção de elétrons com fótons, e estão na base de um campo emergente conhecido como plasmônica.

Esta nova quasipartícula, por sua vez, deverá impactar os desenvolvimentos em comunicação óptica e quântica e em medições de precisão de frequência, tempo e distância.

Outros exemplos de quasipartículas incluem os fônons ("pacotes" de átomos ou moléculas que vibram coletivamente e que explicam a difusão do calor e do som, por exemplo), os sólitons (pacotes de ondas solitárias que mantêm a forma enquanto se movem a uma velocidade constante) e os éxcitons (formados quando um elétron se une a uma lacuna).

Luz com massa?

A maioria das pessoas acha os conceitos de momento e energia (e, portanto, de massa) fáceis de entender quando estão associados a objetos sólidos - uma maçã caindo da árvore, por exemplo.

Existem também os topolaritons, que surgem na superfície de materiais sólidos e transportam os fótons em meios onde a luz normalmente não viaja.
[Imagem: T. Karzig et al. - 10.1103/PhysRevX.5.031001]

Mas a ideia de que objetos imateriais, como ondas de luz, também tenham uma massa associada é surpreendente para muitos. Entre os físicos, porém, é um fato bem conhecido, parte de um campo chamado eletrodinâmica quântica, a parte da física que descreve como a luz e a matéria interagem. Essa ideia aparentemente paradoxal - de que as ondas têm massa - marca o lugar onde a física quântica e o mundo físico se encontram.

E tudo deriva diretamente da bem conhecida dualidade onda/partícula, que descreve como cada partícula ou entidade quântica pode ser descrita como uma partícula ou como uma onda. Muitas das quasipartículas foram descobertas combinando dois tipos diferentes de partículas de matéria ou ondas de luz ligadas a uma partícula de matéria - ou seja, elas são misturas de matéria e de luz, meio som e meio matéria e assim por diante.

A possibilidade de manipular pares de fótons surgiu graças ao desenvolvimento dos microrressonadores, dispositivos que permitem armazenar a luz fazendo-a ficar dando voltas em torno de um pequeno anel ou prato.

Átomo gigante

Para gerar a nova quasipartícula, a equipe injetou no microrressonador um laser sintonizado na frequência de ressonância específica em que se espera que um fóton seja absorvido. Acontece que, por um efeito peculiar, conhecido como efeito Autler-Townes, nenhuma absorção de ressonância ocorre; em vez disso, a interação fóton-fóton cria duas novas frequências de ressonância a partir da antiga.

Isso era bem conhecido na interação entre fótons e átomos, mas é a primeira vez que se obtém uma interação fóton-fóton. E o par de fato tem uma massa mensurável.

"Agora temos uma situação em que microrressonadores - que são objetos em escala milimétrica - se comportam como se fossem átomos gigantes. O conceito de átomos artificiais está rapidamente ganhando terreno na eletrodinâmica quântica de micro-ondas em circuitos supercondutores, enquanto aqui estamos olhando para uma oportunidade semelhante na faixa óptica de frequências.

"A pequena massa dos fótons-fótons pode levar a novos desenvolvimentos de muitas analogias importantes entre luz e fluidos, onde outras famílias de quasipartículas já estão sendo usadas," disse o professor Dmitry Skryabin, coordenador da equipe.

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