Novo fenômeno físico torna átomos transparentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/05/2023

Visualização artística do laser atingindo o grupo de átomos dentro da cavidade óptica.
[Imagem: Ella Maru Studio]

Transparência seletiva

Físicos acabam de descobrir um novo fenômeno óptico, no qual grupos de átomos param abruptamente de refletir a luz quando essa luz que os atinge tem cores específicas.

A equipe batizou o fenômeno recém-descoberto de "transparência induzida coletivamente" (TIC). Ela é diferente da já conhecida transparência induzida eletromagneticamente, um efeito de interferência que depende da aplicação de um campo eletromagnético e já vem sendo explorada em diversas aplicações.

A TIC (transparência induzida coletivamente) foi descoberta confinando átomos do elemento químico itérbio dentro de uma cavidade óptica - essencialmente, uma pequena caixa para a luz - que é posteriormente iluminada com um laser. Inicialmente a luz do laser é refletida pelos átomos, como seria de se esperar; contudo, à medida que a frequência da luz é ajustada, aparece uma "janela de transparência", na qual a luz simplesmente passa pela cavidade sem impedimentos.

"Nunca soubemos que essa janela de transparência existia," diz Andrei Faraon, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, referindo-se à falta de qualquer previsão teórica de que esse fenômeno pudesse ocorrer. "Nossa pesquisa tornou-se principalmente uma jornada para descobrir o porquê."

Transparência induzida coletivamente

A análise da janela de transparência aponta que ela é resultado de interações entre o grupo de átomos e a luz que são semelhantes às que acontecem na interferência destrutiva, na qual as ondas de duas ou mais fontes podem se anular.

Os grupos de átomos continuamente absorvem e reemitem luz, o que geralmente resulta na reflexão da luz do laser. No entanto, na frequência TIC, há um equilíbrio criado pela luz reemitida de cada um dos átomos do grupo, resultando em uma queda drástica na reflexão.

Embora seja um fenômeno eminentemente quântico - são interações entre ondas -, o ressonador óptico usado pela equipe é grande para os padrões desse tipo de experimento, medindo 20 micrômetros de comprimento.

Além do fenômeno da transparência induzida pelo agrupamento dos átomos, os pesquisadores também observaram que a coleção de átomos pode absorver e emitir luz do laser muito mais rápido ou muito mais devagar do que ocorre com um único átomo, dependendo da intensidade do laser. Esses processos, chamados de superradiância e subradiância, ainda são pouco compreendidos devido ao grande número de partículas quânticas em interação.

"Através de técnicas convencionais de medição de óptica quântica, descobrimos que nosso sistema atingiu um regime inexplorado, revelando uma nova física," disse Rikuto Fukumori, membro da equipe.

O fenômeno é diferente da superradiância e da subradiância, que ocorrem com átomos individuais.
[Imagem: Mi Lei et al. - 10.1038/s41586-023-05884-1]

Memórias quânticas

Embora esta seja uma pesquisa primariamente fundamental e expanda nossa compreensão do misterioso mundo dos efeitos quânticos, a descoberta dessa janela de transparência tem o potencial para ser explorado em memórias mais eficientes, nas quais as informações são armazenadas em um conjunto de átomos fortemente acoplados.

A equipe já trabalha no desenvolvimento de armazenamento quântico, mas manipulando as interações de múltiplos átomos de vanádio, e não de itérbio.

"Além das memórias, esses sistemas experimentais fornecem informações importantes sobre o desenvolvimento de futuras conexões entre computadores quânticos," disse o professor Manuel Endres.

Mais tópicos