Luz líquida simplifica drasticamente aparelhos de ressonância nuclear

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2024

A demonstração foi feita em escala de laboratório, mas o princípio de manipulação dos spins à distância poderá ter uso imediato.
[Imagem: Stepan Baryshev]

Ressonância nuclear óptica

Há pouco mais de uma década, os físicos observaram pela primeira vez uma transição de fase da luz, o que abriu caminho para que rapidamente se produzisse uma luz líquida e até um gás feito de luz.

Agora, uma equipe da Islândia, Polônia e Rússia usou a luz líquida, ou luz fluida, para criar um meio totalmente óptico de fazer ressonância magnética nuclear, uma técnica de geração de imagens que, na tecnologia atual, utiliza um campo magnético poderoso e ondas de rádio para produzir imagens detalhadas do interior do corpo humano.

Ao contrário de outros tipos de exames de imagem, como a radiografia ou a tomografia computadorizada, a ressonância magnética não utiliza radiação ionizante, o que torna os exames mais seguros. Contudo, ela depende de aparelhos enormes, com um consumo de energia igualmente significativo, o que torna este um exame mais caro.

O que Ivan Gnusov e seus colegas conseguiram fazer agora foi substituir o poderoso campo magnético dos aparelhos de ressonância magnética por um pouquinho de luz líquida. Mais tecnicamente, a luz líquida é um condensado éxciton-polariton, uma nuvem de quasipartículas que emite uma luz polarizada linearmente, com um eixo de polarização seguindo a direção em que o fluido é agitado.

A técnica permite controlar o estado de spin do condensado de uma maneira análoga às técnicas convencionais de ressonância magnética. Mas ela vai além, potencialmente estendendo essas capacidades até mesmo à temperatura ambiente, caso venham a ser utilizados materiais com ressonâncias de éxciton mais estáveis, diz a equipe.

Esquema da parte de excitação do spin e distribuição de intensidade do condensado, a famosa luz líquida.
[Imagem: Ivan Gnusov et al. - 10.1364/OPTICA.527868]

Ressonância magnética

O corpo humano é composto principalmente de água, por sua vez formada por átomos de oxigênio e hidrogênio. O núcleo do átomo de hidrogênio possui uma propriedade de natureza magnética conhecida como spin, que funciona como um pequeno ímã. Quando o paciente é colocado dentro do equipamento de ressonância magnética, esses spins nucleares alinham-se com o campo magnético do aparelho.

Em seguida, são disparados pulsos de ondas na frequência de rádio, transferindo energia para os núcleos de hidrogênio e fazendo com que eles mudem a orientação dos seus spins nucleares. No vale dessas ondas de rádio, os núcleos retornam ao seu estado original de spin, liberando a energia absorvida, também na forma de um sinal de rádio. Este sinal é captado por antenas e convertido em imagens detalhadas por um algoritmo de computador.

O que a equipe descobriu é que é possível manipular externamente o spin dos núcleos de hidrogênio por meio de luz. A rotação da polarização linear da luz emitida corresponde diretamente à agitação do spin do polariton. A velocidade dessa modulação no tempo pode atingir a faixa dos GHz, graças à dinâmica ultrarrápida das quasipartículas. Mais importante, a equipe descobriu que essa precessão ocorre apenas em uma condição ressonante específica dos parâmetros de agitação externa do fluido de luz.

"A aplicação do campo magnético de radiofrequência adicional, ressonante à frequência de precessão, resulta em uma resposta ressonante do sistema estudado (por exemplo, ressonância magnética nuclear ou ressonância magnética eletrônica) que pode ser efetivamente medida e utilizada. Um exemplo proeminente aqui é uma visualização de tecidos humanos em máquinas convencionais de ressonância magnética em hospitais," disse Stepan Baryshev, membro da equipe.

Mas há outros usos, incluindo o controle de estado coerente na computação quântica. A velocidade de controle do spin alcançado com o uso dos fluidos de luz abre caminhos para técnicas avançadas de controle dos qubits dos computadores quânticos, em arquiteturas spintrônicas e em sensores.

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