Criado pela primeira vez um gás feito de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2022

Microrressonador óptico que funciona como a "caixa de fótons" que encerra o gás de luz.
[Imagem: Volker Lannert/University of Bonn]

Gás de luz

Físicos alemães criaram um gás de partículas de luz extremamente comprimidas, confirmando previsões das teorias centrais da física quântica.

O resultado experimental também serve como ponto de partido para o desenvolvimento de novos tipos de sensores mais precisos, capazes de medir forças diminutas.

Os gases são bastante fáceis de comprimir: Se você tapar com o dedo a saída de uma bomba de encher pneus, ainda conseguirá empurrar o pistão por grande parte do seu curso. Mas a coisa não vai funcionar tão bem com líquidos, que são bens ruins de comprimir.

Os gases consistem em átomos ou moléculas que se movimentam mais ou menos rapidamente pelo espaço. E tudo é bastante semelhante com a luz: Seus menores blocos de construção são os fótons, que, em alguns aspectos, se comportam como partículas. A teoria afirma que esses fótons também podem ser tratados como um gás, podendo ser facilmente comprimidos em algumas condições bem especiais.

Foi esse efeito que a equipe demonstrou experimentalmente pela primeira vez.

"Para fazer isso, armazenamos partículas de luz em uma pequena caixa feita de espelhos. Quanto mais fótons colocamos lá, mais denso o gás de fótons se torna," explicou o professor Julian Schmitt, da Universidade de Bonn, cuja equipe já havia criado um superfóton e utilizado-o para criar poços de luz.

Esquema da caixa de espelhos onde o gás de luz foi confinado.
[Imagem: Erik Busley et al. - 10.1126/science.abm2543]

Gás de fótons

A regra geralmente é: Quanto mais denso um gás, mais difícil será comprimi-lo. No experimento com luz, a coisa começou exatamente assim: Quanto mais fótons eram colocados na caixa de espelhos, mais difícil se tornava comprimir o gás.

No entanto, o comportamento mudou abruptamente em um certo ponto: Assim que o gás de fótons atingiu uma densidade específica, passou a ser possível comprimi-lo com quase nenhuma resistência.

A razão para esse comportamento inusitado tem a ver com as regras da mecânica quântica: As partículas de luz apresentam uma "indefinição" - em termos simples, sua localização é um pouco borrada. À medida que eles se aproximam muito uns dos outros - uma alta densidade - os fótons começam a se sobrepor. Os físicos também falam de uma "degeneração quântica" do gás. E torna-se muito mais fácil comprimir um gás quanticamente degenerado.

O gás de luz apresenta altíssima compressibilidade após um limiar de densidade.
[Imagem: Erik Busley et al. - 10.1126/science.abm2543]

Fótons auto-organizados

Para criar um gás com um número de partículas variável e a temperatura bem definida, os pesquisadores usaram o que eles chamam de "banho de calor": "Inserimos moléculas na caixa do espelho que podem absorver os fótons," explicou Schmitt. "Subsequentemente, eles emitem novos fótons que, em média, possuem a temperatura das moléculas - no nosso caso, pouco menos de 300 Kelvin, que é aproximadamente a temperatura ambiente."

Mas foi preciso superar outro obstáculo: Os gases de fótons geralmente não são uniformemente densos - há muito mais partículas em alguns lugares do que em outros devido ao formato da armadilha em que eles estão contidos.

"Nós adotamos uma abordagem diferente em nossos experimentos," disse Erik Busley, principal responsável pela criação do gás de luz. "Nós capturamos os fótons em uma caixa de espelho de fundo plano que criamos usando um método de microestruturação. Isso nos permitiu criar um gás quântico de fótons homogêneo pela primeira vez."

Os pesquisadores afirmam que, além do grande interesse do experimento em termos de pesquisa fundamental, no futuro a compressibilidade quântica do gás poderá ser aprimorada, permitindo criar sensores capazes de medir forças minúsculas.

Mais tópicos