Holografia quântica: Objeto é fotografado com luz que não se reflete nele

Com informações da Physics World - 22/02/2022

Fotografia do sistema de holografia quântica: Um feixe de luz vai ao objeto, enquanto o outro vai direto para a câmera.
[Imagem: Markus Grafe]

Vendo com a luz que não se reflete

Pesquisadores alemães inventaram uma nova técnica de holografia que cria imagens de objetos sem nunca detectar a luz que se reflete nesses objetos.

Ou, dito de outro modo, eles capturam uma imagem usando um feixe de luz que nunca se refletiu no objeto sendo fotografado.

Esse processo contraintuitivo é possível porque a equipe tirou proveito de um fenômeno da mecânica quântica chamado entrelaçamento, em que dois fótons ficam inextrincavelmente interligados, qualquer que seja a distância que os separe. Só que, aqui, não se trata de dois fótons, mas de dois feixes inteiros de laser: Tudo o que acontece a um feixe é simultaneamente reproduzido no outro - é como transferir informações acima da velocidade da luz.

Assim, enquanto um feixe atinge o objeto a ser fotografado, a técnica gera o holograma analisando o outro feixe, que nunca vai até o objeto, mas que está sendo simultaneamente alterado conforme o primeiro chega ao objeto.

Observe que isso é diferente da chamada luz de campo próximo, que nunca chega aos nossos olhos e nem aos nossos sensores, mas que também tem aplicações úteis.

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Comparação entre a holografia clássica e a holografia quântica.
[Imagem: Sebastian Töpfer et al. - 10.1126/sciadv.abl4301]

Primeiro a holografia clássica

Um holograma é essencialmente um registro de um padrão de interferência óptica entre ondas de luz. Para gerar esse padrão, dois feixes de luz coerente - conhecidos como feixe de objeto e feixe de referência - são disparados de forma a se sobreporem (ou interferirem) em um material fotossensível, como um fotopolímero ou uma emulsão de haleto de prata.

O feixe do objeto se propaga a partir do objeto que está sendo fotografado e, portanto, carrega informações sobre sua forma. O feixe de referência, enquanto isso, grava o holograma.

As técnicas clássicas de holografia têm tido muito sucesso em áreas que vão desde a microscopia e a pesquisa fundamental até a indústria.

No entanto, tem sido difícil gerar imagens de objetos que emitem luz fora da faixa visível do espectro eletromagnético, o que é muito comum nas imagens biomédicas.

Imagem com luz não detectada

Para superar essa limitação, Sebastian Töpfer e colegas do Instituto de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão, em Jena, na Alemanha, desenvolveram um novo tipo de técnica de holografia na qual a luz que ilumina o objeto sendo fotografado nunca é detectada. Além disso, a luz detectada nunca interage com o objeto.

"O mais interessante é que agora podemos separar espectralmente a iluminação e a detecção de um objeto," explicou o professor Markus Grafe, cuja equipe havia recentemente criado um câmera quântica que fotografa o invisível. "A técnica pode ser útil para bioimagem, que geralmente é feita com luz no infravermelho médio. Como essa luz é difícil de detectar, iluminamos com infravermelho médio, mas detectamos luz visível, que é muito mais fácil de visualizar."

As primeiras imagens são incrivelmente claras para uma tecnologia em fase inicial de demonstração.
[Imagem: Sebastian Töpfer et al. - 10.1126/sciadv.abl4301]

Holografia quântica prática

Para realizar esse truque, os pesquisadores substituíram os feixes de luz clássicos da holografia normal, baseada em mudança de fase, por um par de feixes de luz nos quais os fótons são espacialmente correlacionados.

Esses estados de dois fótons, conhecidos como estados de pares de fótons, permitem explorar um efeito quântico chamado coerência induzida sem emissão induzida: Um dos feixes de luz correlacionados é enviado para iluminar o objeto dentro de um interferômetro, enquanto o outro feixe de luz correlacionado detecta a luz do objeto em uma câmera fora do interferômetro.

A seguir, a equipe combinou essa "imagem quântica com luz não detectada", como chamaram a técnica, com a holografia clássica, para que a técnica quântica possa ser usada em aplicações do mundo real.

"Nosso trabalho é um passo importante para a geração de imagens quânticas e permite detectar objetos com comprimentos de onda de luz que são difíceis, ou mesmo impossíveis, de detectar tecnicamente," disse Grafe.

Os pesquisadores afirmam que o próximo passo é melhorar o desempenho óptico do sistema. "Também queremos torná-lo compatível com os microscópios comerciais de varredura a laser," finalizou Grafe.

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