Brasileiros criam técnica para medir rotação da luz

Don Monroe - Physical Review Focus - 03/08/2010

Difração triangularNULL feixe de luz que passa através de uma abertura triangular produz um padrão de pontos na superfície do detector (seu brilho calculado, que aparece aqui como uma elevação). O número de pontos em cada lado do triângulo central brilhante (aqui, cinco) é um a mais do que o momento angular orbital do feixe original.
[Imagem: J. Hickmann/Federal Univ. of Alagoas]

Informações quânticas

A luz pode ter um "momento angular orbital", uma espécie de rotação, mas que se parece mais com um planeta orbitando ao redor do Sol do que girando sobre seu próprio eixo.

Medir essa propriedade é complicado, mas no exemplar de 30 de Julho da revista científica Physical Review Letters, pesquisadores brasileiros mostram que dirigir um feixe luminoso através de um buraco triangular cria uma matriz triangular de pontos que indica diretamente a dinâmica orbital angular desse feixe.

A técnica, simples e elegante, é uma ferramenta importante para explorar uma propriedade incomum da luz, que poderá no futuro ser usada para codificar informações quânticas.

Momento angular da luz

Quando um feixe de luz possui momento angular, esse momento angular pode ter dois elementos. O momentum angular "spin" corresponde à polarização circular da luz para a direita ou para esquerda, o que significa que a direção do campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário conforme a luz se move para a frente.

O momento angular orbital (OAM: Orbital Angular Momentum) - largamente aceito pela comunidade científica apenas nos últimos 20 anos - ocorre quando a direção do campo elétrico varia no interior do feixe.

Por exemplo, imagine medir a direção do campo elétrico em cada ponto ao redor de um feixe de luz de grande diâmetro. Ele pode apontar para cima, para a à direita (às três horas), para baixo, ou para a esquerda (às nove horas).

Este feixe pode ter uma unidade de OAM - uma "carga topológica" de um.

O campo de um feixe de carga dois poderia dar duas rotações completas conforme você se move ao redor de seu contorno.

Os pesquisadores esperam aproveitar esta propriedade para transportar informações com a luz, exatamente como eles já fazem com a polarização.

E com uma grande vantagem: enquanto cada fóton tem apenas dois estados de spin distintos, há potencialmente infinitos estados OAM. O problema é que até agora não havia um método de distinguir os diversos estados OAM de forma eficiente - veja informações associadas a isto nos artigos sobre spintrônica e orbitrônica.

Experimentos de difração

Os físicos já haviam descoberto como gerar feixes que possuam momento angular orbital e usá-los para exercer torque sobre partículas, movimentando-as.

Mas Jandir Miguel Hickmann e seus colegas da Universidade Federal de Alagoas, em Maceió, afirmam que há uma quantidade muito pequena de pesquisas que exploram o que acontece quando esses raios de luz passam por aberturas muito pequenas.

Esses experimentos de difração geram padrões de pontos que os físicos vêm usando há muito tempo para analisar as propriedades da luz comum - mas as técnicas para medir o OAM são poucas e mais complicadas.

Quando Hickmann e seus colegas simularam a difração de feixes de luz passando através de furos de variados formatos, eles descobriram que o uso de um triângulo isósceles traz um benefício inesperado: "Você pode simplesmente contar os pontos para descobrir a carga topológica". Os pesquisadores também verificaram esta previsão experimentalmente.

Medição do momento angular orbital

A equipe calculou e observou que, uma vez que o feixe está centrado no furo, ele gera um padrão incomum: uma rede triangular de pontos. O brilho de cada ponto individual depende das contribuições combinadas da luz a partir de diferentes locais no buraco triangular.

Os cálculos preveem que os pontos mais brilhantes formam um triângulo cujo tamanho (o número de pontos em cada um dos seus lados) é uma unidade maior do que a magnitude da carga topológica.

Além disso, o padrão luminoso triangular é girado em 60 graus em qualquer direção em relação à abertura, com a direção dependendo do sinal da carga (o sentido de rotação da luz). Assim, a abertura triangular representa uma maneira fácil de medir a magnitude e o sinal do momento angular orbital.

Miles Padgett, da Universidade de Glasgow, na Escócia, comentando o artigo dos brasileiros, afirmou que "Foi uma surpresa, pelo menos para mim, que haja uma relação tão simples e bonita" entre o número de pontos difratados, a orientação do padrão e a magnitude e o sinal da carga topológica.

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