Cientistas solidificam a luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/09/2014

Luz cristalizada: inicialmente os fótons fluem facilmente entre os dois qubits, produzindo as grandes ondas à esquerda. A seguir, a luz cristaliza, mantendo os fótons no lugar (direita).
[Imagem: Universidade de Princeton]

Cristal de luz

Cientistas garantem ter solidificado a luz, cristalizando os fótons como se eles fossem os átomos na rede cristalina de um sólido.

Não se trata de espalhar a luz através de cristal - a luz se transforma em um cristal, com os fótons ficando fixos no lugar.

Os cientistas já haviam torcido e retorcido a luz, congelado a luz e até construído rodas fotônicas. Mas formar uma rede cristalina de luz é algo inédito.

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"É algo que nunca vimos antes," disse Andrew Houck, da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. "Este é um novo comportamento para a luz."

Infelizmente, você não conseguirá pegar o cristal de luz na mão, uma vez que esse comportamento exótico cessa tão logo o feixe é desligado, mas os cientistas garantem que o experimento sem precedentes poderá responder a algumas perguntas fundamentais sobre a física da matéria.

Essas perguntas têm sido feitas no esforço para desenvolver materiais com propriedades não encontradas na natureza, como supercondutores que funcionem a temperatura ambiente, e os tão sonhados computadores quânticos.

Onda, partícula, sólido

Para construir seu cristalizador de luz, James Raftery e seus colegas criaram uma estrutura feita de materiais supercondutores que contém 100 bilhões de átomos projetados para agir como uma entidade única - um átomo artificial.

O aparato é baseado no processador quântico que a equipe vem desenvolvendo desde 2007, no qual átomos artificiais funcionam como qubits.

Pelas regras da mecânica quântica, os fótons em um fio supercondutor que passa ao lado do processador herdam algumas das propriedades do átomo artificial - em certo sentido criando uma conexão entre eles.

Fótons normalmente não interagem uns com os outros, mas, neste sistema, os pesquisadores foram capazes de criar um novo comportamento no qual os fótons começam a interagir como partículas, e não apenas como ondas.

"Essas interações geram então um comportamento coletivo da luz totalmente novo - parecido com as fases da matéria, como os líquidos e cristais estudados na física da matéria condensada," explica Darius Sadri, membro da equipe.

Controlando o funcionamento do átomo artificial no interior do chip e a energia fluindo pelo supercondutor, os pesquisadores podem fazer com que a luz fique "espirrando" de um lado para o outro, como se fosse um líquido, ou simplesmente congele, criando um "cristal de luz".

Ou seja, além de se comportar como onda e como partícula, agora a luz se manifestou como matéria sólida como esta é vista pelas leis da mecânica clássica, criando uma forma simples e direta de interagir e, eventualmente, interferir com a matéria na fronteira quântico-clássica.

Detalhe do processador fotônico onde o experimento foi realizado.
[Imagem: James Raftery et al. - 10.1103/PhysRevX.4.031043]

Construindo a matéria

Como o átomo artificial é um qubit por definição, a equipe está entusiasmada com a possibilidade de usar esse novo comportamento da luz para criar novas formas de computação ainda mais eficientes e rápidas do que as que vinham sendo consideradas pela computação quântica.

O protótipo usado no experimento é relativamente pequeno, com apenas dois átomos artificiais emparelhados com um fio supercondutor. Mas a equipe afirma que, construindo um dispositivo maior, e aumentando o número de interações dos fótons, será possível aumentar sua capacidade e simular sistemas mais complexos.

Isto tem a ver com os simuladores quânticos, circuitos capazes de simular de uma única molécula até um material sólido completo a partir dos primeiros princípios quânticos das suas partículas constituintes. É como aprender a construir a matéria de baixo para cima.

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No futuro, a equipe pretende construir dispositivos com centenas de átomos artificiais, com os quais eles esperam observar fases ainda mais exóticas da luz, tais como superfluidos e isolantes.

"Estamos interessados em explorar - e, finalmente, controlar e dirigir - o fluxo de energia em nível atômico", disse outro membro da equipe, Hakan Tureci. "O objetivo é entender melhor os materiais e os processos atuais e avaliar materiais que ainda não podemos criar."

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