Qual é o formato de um fóton?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/11/2024

A nova teoria explica como a luz e a matéria interagem no nível quântico, permitindo definir pela primeira vez a forma precisa de um único fóton.
[Imagem: Benjamin Yuen]

A forma da luz

Quando pensamos em partículas, é quase intuitivo pensarmos em pequenas esferas, mas a realidade é bem mais complicada de desenhar. Por exemplo, há décadas os cientistas se perguntam qual é o formato de um fóton.

Responder a essa questão é complicado porque, em termos estritos, um fóton não é uma partícula e nem exatamente uma onda - ele é uma excitação de um campo eletromagnético. Ou seja, um fóton é essencialmente "informação". Assim, descobrir o formato de um fóton significa essencialmente descrever essa excitação do campo.

Agora, uma nova teoria que explica como a luz e a matéria interagem no nível quântico permitiu que pesquisadores modelassem com precisão pela primeira vez a forma precisa de um único fóton.

Ben Yuen e Angela Demetriadou, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, exploraram a natureza das partículas individuais de luz com um nível de detalhamento sem precedentes, tentando descrever como eles são emitidos por átomos ou moléculas e como são moldados por seu ambiente.

Essa descrição permitiu mapear as excitações locais do campo eletromagnético, o que por sua vez representa o formato do fóton.

Não há exatamente uma forma precisa de um fóton: Seu formato, sua cor e até se ele existirá são definidos pela interação entre a luz, o material e o ambiente.
[Imagem: Yuen/Demetriadou - 10.1103/PhysRevLett.133.203604]

Qual é o formato do fóton?

A natureza da interação entre luz, matéria e ambiente leva a infinitas possibilidades de a luz existir e se propagar. Essa possibilidade ilimitada, no entanto, torna as interações excepcionalmente difíceis de modelar, e é um desafio no qual os físicos têm trabalhado há várias décadas.

Mas, ao agrupar essas possibilidades em conjuntos distintos, os dois físicos conseguiram elaborar um modelo que descreve não apenas as interações entre o fóton e o emissor, mas também como a energia dessa interação viaja para o chamado "campo distante", ou seja, para longe da fonte de emissão - existe também uma luz do campo próximo, uma luz invisível porque nunca chega aos nossos olhos.

Ao mesmo tempo, eles demonstraram que seus cálculos podem ser usados para produzir uma visualização do próprio fóton.

"Nossos cálculos nos permitiram converter um problema aparentemente insolúvel em algo que pode ser computado. E, quase como um subproduto do modelo, fomos capazes de produzir esta imagem de um fóton, algo que nunca foi visto antes na física," disse Yuen.

Em vez de teorias, outras equipes desenvolveram equipamentos para fotografar fótons.
[Imagem: Shawn Sederberg et al. - 10.1038/s41467-019-14268-x]

Mil e uma utilidades

Este trabalho é importante porque abre novos caminhos de pesquisa na física quântica e na ciência dos materiais. Por exemplo, definir precisamente como um fóton interage com a matéria e com outros elementos do ambiente permitirá projetar novas tecnologias nanofotônicas, algo essencial em coisas como comunicações seguras, detecção de patógenos ou para controlar reações químicas em nível molecular.

"A geometria e as propriedades ópticas do ambiente têm consequências profundas sobre como os fótons são emitidos, incluindo a definição da sua forma e cor e até mesmo a probabilidade de existência dos fótons," disse Demetriadou.

O modelo também permite tirar proveito de uma quantidade mais ampla das informações coletadas experimentalmente - como essas informações não estavam nos modelos científicos, elas eram descartadas como ruído.

"Este trabalho nos ajuda a aumentar nossa compreensão da troca de energia entre luz e matéria e, em segundo lugar, a entender melhor como a luz irradia para seus arredores próximos e distantes. Muitas dessas informações eram consideradas apenas 'ruído', mas há muita informação nelas que agora podemos entender e usar. Ao entender isso, estabelecemos as bases para sermos capazes de projetar interações luz-matéria para aplicações futuras, como melhores sensores, células de energia fotovoltaica aprimoradas ou computação quântica," concluiu Yuen.

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