Fóton, partícula de luz, divide-se em duas outras partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/12/2021

Ao se dividir, o fóton produz dois bósons de Majorana - até agora só se conheciam férmions de Majorana.
[Imagem: LaDarius Dennison/Dartmouth College]

Fóton dividido em dois

Quase um século depois que o físico italiano Ettore Majorana lançou as bases para a descoberta de que os elétrons podem ser divididos ao meio, físicos previram agora que os fótons, as partículas elementares da luz, também podem se dividir.

De modo similar a como a água em estado líquido pode se transformar em gelo ou em vapor sob condições específicas, a pesquisa indica que a luz também pode existir em uma fase diferente - uma fase na qual os fótons aparecem como duas metades distintas.

"A água é água independentemente de sua forma líquida ou sólida. Ela apenas se comporta de maneira diferente dependendo das condições físicas. É assim que precisamos abordar nosso entendimento da luz - como a matéria, ela pode existir em diferentes fases," explicou a professora Lorenza Viola, da Universidade Dartmouth, nos EUA.

A descoberta de que os blocos fundamentais de construção da luz podem existir em uma forma dividida pode mudar a compreensão fundamental da luz e de como ela se comporta, sobretudo nas dimensões envolvendo as tecnologias quânticas.

"Esta é uma grande mudança de paradigma de como entendemos a luz, de uma forma que não se acreditava ser possível. Nós não apenas encontramos uma nova entidade física, mas ela é uma que ninguém acreditava que pudesse existir," disse Lorenza.

Bósons de Majorana

A divisão do fóton em dois precisa ser vista com cuidado: Em vez de peças que poderiam ser fisicamente separadas, as metades dos fótons são semelhantes aos dois lados de uma moeda: As duas partes distintas formam um todo, mas podem ser descritas e funcionam como unidades separadas.

"Cada fóton pode ser pensado como a soma de duas metades distintas," disse Vincent Flynn. "Fomos capazes de identificar as condições para isolar essas metades uma da outra."

Foi Flynn quem partiu dos fundamentos da física para demonstrar a existência desses meios-fótons" - o nome técnico da metade do fóton é "bóson de Majorana", porque ele seria um parente distante dos férmions de Majorana, como o elétron dividindo-se em duas quasipartículas.

As partículas vêm em dois tipos diferentes: férmions e bósons. Os férmions, como os elétrons, tendem a ser solitários, evitando-se a todo custo. Os bósons, como os fótons, tendem a se agrupar. Assim, era natural que os pesquisadores presumissem que dividir bósons seria uma tarefa sem chance de sucesso.

"Férmions e bósons são tão diferentes quanto duas coisas podem ser na física," disse Emilio Cobanera, do Instituto Politécnica Suny, que fecha o trio responsável pela descoberta. "Na verdade, essas partículas são imagens distorcidas umas das outras. A existência dos férmions de Majorana foi nossa principal pista de que o bóson de Majorana estava escondido em algum lugar do espelho do parque de diversões."

Comprovação experimental e usos práticos

A confirmação de que o bóson de Majorana realmente existe exigirá agora um experimento de laboratório que observe as duas metades do fóton.

A nova teoria se baseou em cavidades dissipativas, que deixam vazar energia, que são acopladas e preenchidas com pacotes quânticos de luz. Os cálculos preveem que as metades dos fótons aparecem nas bordas dessa plataforma artificial.

Ao contrário das gigantescas estruturas construídas para detectar o renomado bóson de Higgs, um experimento para detectar os bósons de Majorana - as metades dos fótons - poderá ser feito em uma bancada de laboratório, o que não deverá levar muito tempo, uma vez que já existem tecnologias capazes de replicar todos os passos previstos na teoria.

Mais do que descobrir os bósons de Majorana, os cálculos da equipe representam o primeiro indício da existência de uma fase topológica da luz e, eventualmente, da matéria.

Além disso, os cálculos indicam que os bósons de Majorana são robustos contra imperfeições experimentais e identificáveis por assinaturas bem claras. Embora seja difícil prever como isso poderá ser aplicado de forma prática, essas características podem ser base de novos tipos de processadores quânticos, sensores ópticos e amplificadores de luz.

"Para fazer essa descoberta, tivemos que desafiar crenças antigas e realmente pensar fora da caixa," disse a professora Lorenza. "Nós dividimos algo que antes se pensava ser impossível de se dividir, e nós nunca mais olharemos para a luz da mesma maneira."

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