Luz é detectada ligada e desligada ao mesmo tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/02/2023

Em uma "nanossala", a luz pode estar apagada e três vezes acesa - ao mesmo tempo.
[Imagem: Daniel Fersch/Universität Würzburg]

Acesa e apagada ao mesmo tempo

Você pode facilmente olhar se a lâmpada do seu quarto está acesa ou não e, se não estiver conforme sua necessidade, é só ir até o interruptor e resolver a questão.

Mas as coisas estão longe de serem tão simples quando chegamos ao reino dos nanômetros e vemos não uma sala inundada de luz, mas fótons individuais atingindo locais muito pequenos.

Como, nessas dimensões, o que domina é a física quântica, simplesmente não conseguimos dizer inequivocamente se há luz em um lugar ou não: Ela pode estar lá e não estar ao mesmo tempo, por exemplo.

E saber se um fóton está iluminando um determinado local é essencial para as novas tecnologias fotônicas, ou à base de luz.

"A detecção desses estados exóticos da física quântica nas escalas de tamanho dos transistores elétricos pode ajudar no desenvolvimento de tecnologias quânticas ópticas de futuros chips de computador," ilustra o professor Bert Hecht, da Universidade de Wurzburg, na Alemanha.

E ele sabe do que está falando, uma vez que sua equipe trabalha construindo nanoestruturas tão pequenas que os fótons fazem toda a diferença, como em nanomotores movidos a luz e minúsculas antenas que captam a luz para transferência de dados.

É um primeiro passo em um campo repleto de caminhos para novas tecnologias.
[Imagem: Tobias Brixner et al. - 10.1038/s41567-022-01912-5]

Detectando fótons em superposição

Enquanto nossa tecnologia atual é binária, baseada no estado ligado ou desligado do fluxo de eletricidade que passa por um transístor, as tecnologias quânticas - e isso vai da computação quântica à detecção de ondas gravitacionais - lidam sem problemas com estados opostos convivendo simultaneamente, como no caso da superposição quântica.

Para tirar proveito disso, contudo, multiplicando muitas vezes as velocidades de transmissão e processamento de informações, faltava um modo de detectar esses estados de superposição da luz diretamente dentro de uma nanoestrutura - em outras palavras, descobrir se a "sala quântica" está iluminada ou não.

Foi isto que a equipe do professor Hecht conseguiu fazer agora, tirando proveito de quasipartículas que se formam quando a luz incide sobre uma superfície metálica, chamadas plásmons de superfície.

Como é muito difícil lidar com os fótons diretamente, a técnica inédita consiste em detectar os plásmons que emergem quando a luz acopla-se às oscilações naturais dos elétrons. Na prática, a formação dessas quasipartículas funciona como se a energia da luz ficasse mantida presa dentro da nanossala, permitindo sua detecção.

"Detectar essa assinatura foi um desafio enorme. Os fótons podem ser detectados muito bem com detectores sensíveis; no entanto, no caso de fótons individuais, que também estão em um estado de superposição quântica, não existem métodos adequados no nanomundo," disse o professor Tobias Brixner, membro da equipe.

Tomografia e muito mais

E, claro, os resultados não poderiam deixar de ser surpreendentes: Em vez de encontrar uma resposta do tipo "luz acesa" ou "luz apagada", as medições revelam que, simultaneamente, nenhum fóton e três fótons acoplam-se aos elétrons, gerando os plásmons. E isso acontece durante um milionésimo de milionésimo de segundo, o que deixa bem pouco tempo para a detecção, já que os plásmons rapidamente decaem.

Contudo, a energia liberada pelo decaimento dos plásmons é suficiente para liberar outros elétrons. E esses elétrons assim disparados podem então ser capturados em uma imagem por um detector suficientemente sensível. Devido aos tempos de decaimento extremamente rápidos, nesta primeira demonstração da técnica a equipe precisou usar sequências de pulsos de laser ultracurtos, o que permitiu obter a "marca registrada" dos estados de superposição da luz.

Este é um primeiro passo em direção ao objetivo de analisar o estado físico quântico completo de fótons e elétrons acoplados diretamente em nanoescala. Se parece algo muito exótico, basta lembrar que, no campo da medicina, esse processo é conhecido como tomografia, e domá-lo pode acender muitas luzes em inúmeros outros campos de pesquisa e aplicação.

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