Lei universal da física descoberta graças a uma gota de azeite

Com informações da BBC - 11/05/2020

Ilustração representa os dois espelhos, a cavidade no centro com azeite de oliva e um raio de luz
[Imagem: Henk-Jan Boluijt / AMOLF]

Biestabilidade

Parece um experimento simples: Com apenas dois espelhos e uma gota de azeite de oliva, um grupo de pesquisadores conseguiu descobrir uma lei universal da física.

Mas não se trata de qualquer tipo de espelho. São de extrema qualidade, curvos e com um tamanho entre 10 e 50 vezes menor que a espessura de um fio de cabelo. Já o azeite era do tipo comum mesmo e foi comprado em um supermercado pela equipe.

O experimento trata de fótons interagindo com outros fótons do presente e do passado ao mesmo tempo.

Tudo começa com o conceito de biestabilidade. "Imagine um bit de computador que pode estar em dois estados: 0 ou 1. O problema é que você tem um único comando. Portanto, se você pressionar um botão, é provável que o bit caia para 0 ou caia em 1," relata o físico mexicano Said Rodríguez, atualmente no instituto científico Amolf, nos Países Baixos.

Agora vem um segundo conceito: biestabilidade em um sistema com memória. "Agora imagine que você lança uma moeda para o alto e dê cara. Então a lança novamente. O resultado depende de já ter saído cara antes? Não deveria e, na maior parte dos sistemas, não depende. Mas, para este sistema, sim. Isso é o que o torna especial," esclarece Rodríguez.

Em outras palavras, a probabilidade depende do que aconteceu no passado, em sua história. Por isso se diz que o sistema tem memória.

Intermediação da interação

O último ingrediente do experimento é a luz - ou tentar explicar aqueles dois conceitos usando os fótons.

"Infelizmente, é muito difícil criar biestabilidade para a luz, o que exige que a luz interaja consigo mesma e isso praticamente nunca ocorre no espaço livre. Quando dois raios laser se cruzam, eles continuam a se espalhar como se nunca se vissem," diz o físico, exemplificando que sabres de luz como os mostrados nos filmes da saga Star Wars não existem em um ambiente normal.

O truque é então fazer com que os fótons interajam com certos materiais. É assim que o experimento passou a ser temperado com uma gota de azeite.

Primeiro é necessário capturar a luz e confiná-la em um espaço muito pequeno. Esta é a função dos dois pequenos espelhos que fazem parte do experimento, que são colocados muito próximos um do outro, com uma gota de azeite no meio, dentro de uma cavidade. "Esses espelhos permitem que a luz salte muitas vezes de um lado para o outro, passando pelo azeite. É justamente ali que a interação entre os fótons é gerada," diz Rodríguez.

Outra equipe já havia verificado a interação de fótons no óleo de mamona. Eles tentaram ele e também o óleo de macadâmia, mas foi em uma revista de física aplicada do México, em um artigo publicado em espanhol, que Rodríguez e sua equipe encontraram um relatório de um efeito curioso encontrado com a luz interagindo no azeite de oliva.

E funcionou.

A computação molecular baseia-se no mesmo conceito de biestabilidade.
[Imagem: Jan-Simon von Glasenapp/Rainer Herges]

Lei universal

Mas se outros já haviam feito a mesma coisa, qual foi a descoberta do grupo?

A descoberta aconteceu quando eles começaram a mover os espelhos, para variar a distância entre eles: Eles perceberam que a biestabilidade desaparece a uma velocidade universal, independentemente de parâmetros como a intensidade da luz.

Nas palavras de Rodríguez: "A lei universal que descobrimos está relacionada à velocidade com que a biestabilidade desaparece nos sistemas com memória," disse Rodríguez, voltando à analogia com a moeda: "Você começa com uma moeda que pode ser cara ou coroa e, à medida que a velocidade em que você joga uma moeda aumenta, a moeda se torna unilateral. Ela não pode mais ter duas faces. É uma. Dizer que sempre cai do mesmo lado seria errado, porque não existem mais dois lados, mas um," acrescenta.

Tudo isso soa estranho? O próprio Rodríguez é o primeiro a reconhecer isso: "Tudo isso parece algo muito abstrato ou específico, mas existem muitos sistemas que possuem essa propriedade de que sua resposta não é independente do passado, ou seja, que eles têm memória."

E como as equações que descrevem este sistema de luz e azeite "são muito semelhantes às que descrevem muitos outros sistemas em física, química, biologia e engenharia," diz-se que a lei que elas descrevem é considerada universal.

Transistores biestáveis podem armazenar dois bits diferentes, em vez de apenas 0 ou 1.
[Imagem: M. Feng et al. - 10.1063/1.4942222]

Aplicações práticas

A biestabilidade é usada em muitas tecnologias modernas, pois é uma maneira eficiente de codificar informações. No entanto, o sistema no qual essa equipe internacional alcançou a biestabilidade "permite um alto grau de controle e pode ser operado com muito pouca emissão de luz, e essas propriedades o tornam muito atraente para aplicações".

Rodríguez lista três aplicações possíveis: sensores para detectar pequenas partículas, dispositivos que permitem o transporte de luz de formas incomuns e computadores ópticos que podem processar quantidades de informações que excedam a capacidade dos atuais computadores comuns.

No caso deste último exemplo, o físico não fala em fabricar computadores que, a curto prazo, substituam os nossos.

"Mas há certos problemas que são muito específicos, mas muito importantes, nos quais os computadores modernos comuns são bastante ruins, por serem muito lentos." Esses são problemas de otimização combinatorial, de grande relevância em muitas áreas da ciência e da tecnologia, entre outras. Um exemplo é o que acontece quando se pesquisa em um aplicativo de mapeamento como ir do ponto A para o ponto B.

"O que você faria para encontrar rapidamente a menor distância?", Pergunta o cientista. "Bem, você teria que encontrar todos os caminhos diferentes e medi-los."

Para fazer isso, você executa um cálculo serial: primeiro encontra o caminho um, depois o caminho dois, o caminho três, o caminho quatro e assim por diante até que todos estejam concluídos e o menor seja definido. Um computador comum faria o mesmo. "Em nosso sistema, você não procederia em série, mas em paralelo: você pode explorar todos os caminhos ao mesmo tempo," explica Rodríguez.

Certamente, esse cálculo otimizado não seria alcançado com dois espelhos e uma gota de azeite, mas com "redes de cavidades, ou seja, muitos, muitos espelhos, lado a lado, interagindo uns com os outros". E, diferentemente dos computadores quânticos no estágio atual, tudo poderia ser feito a temperatura ambiente.

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