Luz interage consigo mesma em comportamento emergente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/02/2023

O segredo está em ranhuras cuidadosamente projetadas para gerar "ondas solitárias" de luz.
[Imagem: Marius Jürgensen et al. - 10.1038/s41567-022-01871-x]

Comportamento emergente da luz

Físicos descobriram uma técnica para fazer com que a luz interaja consigo mesma, abrindo uma nova rota que poderá vir a ser útil para a computação ultrarrápida, para as telecomunicações e também revelando meandros da própria física que só agora estamos nos dando conta.

O consenso geral tem sido que, como a luz não costuma interagir consigo mesma, ela pode ser muito boa para mover informações rapidamente, mas nunca será boa o suficiente para o processamento de informações, que é inteiramente baseado na interação das unidades da informação de uma forma lógica.

É claro que há muitas formas criativas de contornar isso, e, embora com limitações em relação a um processador convencional, hoje a luz já é largamente usada em processadores fotônicos e em formas mais exóticas de computação, como na massivamente paralela computação difrativa.

Marius Jürgensen e colegas da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA, descobriram agora que as coisas podem ficar muito interessantes quando a luz é dirigida sobre uma pastilha de vidro adequadamente estruturada com ranhuras cuidadosamente projetadas: O vidro funciona como um meio que permite que, para todos os efeitos práticos, os fótons interajam uns com os outros.

Luz interagindo com luz

Ao contrário dos elétrons, os fótons normalmente não interagem uns com os outros porque não têm carga. No entanto, se você tiver um laser forte o suficiente e o fizer passar por um material que responda a essa potência, os fótons se comportam como se estivessem interagindo, uma vez que o vidro efetivamente medeia a interação entre eles.

Em outras palavras, os fótons influenciam-se mutuamente influenciando o material pelo qual eles estão atravessando. Para isso, basta dotar o vidro de ranhuras que funcionam como guias de onda, um equivalente das fibras ópticas, só que embutido no vidro bruto. Essas guias orientam as ondas de luz de modo que os fótons se agrupam, formando quasipartículas chamados "sólitons", um tipo de onda solitária que pode ser muito persistente.

"Normalmente, a luz de um laser se espalha - ou difrata - de sua fonte, mas os sólitons não difratam," explicou o professor Mikael Rechtsman. "Eles se propagam através do vidro em algo como a velocidade da luz, mantendo uma largura fixa."

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Efeito Hall quântico fracionário

E tem mais: Os sólitons observados pela equipe apresentam um comportamento que lembra o efeito Hall quântico fracionário, um fenômeno que ganhou o Prêmio Nobel de física em 1998 quando foi demonstrado com elétrons e do qual hoje tiramos proveito em várias tecnologias.

A luz do laser torna-se "fracionada" ao passar pelo vidro, uma propriedade emergente que aumenta nossa compreensão fundamental da física que emerge de ambientes complexos.

"Os elétrons são partículas com carga e sua carga é uma constante fundamental da natureza. No efeito Hall quântico fracionário, foi demonstrado que os elétrons que interagem entre si sob certas condições se comportam como partículas com alguma fração dessa carga, e podem potencialmente ser usados para uma computação quântica mais robusta. Acabamos de demonstrar um fenômeno que, embora fundamentalmente distinto da versão eletrônica, sugere que um tipo diferente de fracionamento pode ocorrer com a luz que interage consigo mesma," disse o professor Rechtsman.

E tirar proveito desse novo fenômeno não é complicado: Os guias de onda são criados com unidades repetitivas em duas dimensões. Primeiro, cada guia de onda individual estende-se através do vidro em um padrão de zigue-zague que se repete periodicamente ao longo da direção da luz que viaja. Em segundo lugar, grupos dessas ranhuras similares a fibras ópticas, que são idênticas entre si, repetem-se através do vidro em ambos os lados do feixe de laser.

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