Físicos transformam um único átomo em um espelho

Com informações da Science - 08/09/2011

Com uma lente melhor para aumentar a refletividade efetiva do átomo, o dispositivo pode ser usado para construir uma versão óptica de um transístor eletrônico.
[Imagem: Hetet et al.]

Transístor óptico

Além do menor espelho do mundo, cientistas já criaram um espelho para átomos.

Mas agora eles fizeram algo mais: eles transformam um único átomo em um espelho.

O avanço pode permitir a construção de um transístor de luz em escala atômica, ultra-rápido e com um consumo mínimo de energia.

E os pesquisadores afirmam que o átomo-espelho é uma boa notícia para os esforços mais amplos para diminuir os componentes ópticos até a escala nanométrica.

Interferômetro

Gabriel Hétet e Rainer Blatt, da Universidade de Innsbruck, na Áustria, começaram com um dispositivo chamado interferômetro Fabry-Perot, que normalmente consiste de dois espelhos frente a frente.

A luz de um laser é disparada na parte de trás de um dos dois espelhos - ainda assim, alguns fótons conseguem atravessar o espelho, entrando na "cavidade" entre os espelhos, onde ficam refletindo de um lado para o outro entre os dois espelhos.

Como os espelhos não são perfeitos, uma parte dos fótons perde-se cada vez que batem em cada espelho, acabando por atravessá-los.

Espelho atômico

Os pesquisadores então substituíram o segundo espelho por um único átomo - na verdade, um íon de bário.

Para focalizar a luz sobre o átomo e coletar os fótons que se refletem nele, eles colocaram uma lente de 1,5 centímetro de largura entre o átomo e o espelho.

Para manter o íon quieto, eles o capturaram em uma armadilha eletrônica e usaram outro raio laser para resfriá-lo, para que ele não balance mais de 20 nanômetros a partir do centro da armadilha.

Finalmente, eles ajustaram o comprimento de onda da luz que entra no interferômetro para que ela pudesse excitar o íon, fazendo-o passar de um estado de baixa energia para um de maior energia. Sem essa interação, o átomo não conseguiria afetar a luz.

Na verdade, o átomo efetivamente reflete menos de 1% da luz que o atinge.

Transístor totalmente óptico

Então, para o que serve esse espelho tão minúsculo e aparentemente não muito eficiente?

Em princípio, ele ajuda a estender uma abordagem teórica conhecida como cavidade quântica eletrodinâmica.

Essa cavidade pode mudar o vácuo para permitir que somente determinados estados quânticos da luz existam entre seus espelhos - aqueles com os comprimentos de onda desejados.

De forma mais prática, com uma lente melhor para aumentar a refletividade efetiva do átomo, o dispositivo pode ser usado para construir uma versão óptica de um transístor eletrônico.

"Pode-se pensar em mover o espelho para fazer o átomo transmitir ou refletir a luz, o que poderia torná-lo um transístor de luz," disse Hétet.

Mas há uma possibilidade melhor: usar um único fóton de um terceiro laser para alterar o estado interno do átomo e controlar sua refletividade. Assim seria possível obter um transístor totalmente óptico, sem necessidade de movimentar o espelho.

Este é o próximo objetivo dos pesquisadores, embora Kurtsiefer alerte que "esta será a parte mais difícil".

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