Físicos produzem sopa de luz e matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/12/2020

Os nanocabos coaxiais possibilitarão sondar moléculas que interagem com as flutuações quânticas do vácuo e desenvolver novos dispositivos optoeletrônicos.
[Imagem: Oh Group/University of Minnesota]

Parte luz e parte matéria

Em uma nova pesquisa inovadora em vários aspectos, uma equipe internacional de físicos desenvolveu um processo para a produção de um estado quântico que é parte luz e parte matéria.

É um processo único no qual se obteve pela primeira vez um "acoplamento ultraforte" entre a luz infravermelha (fótons) e a matéria (átomos), prendendo a luz em minúsculos orifícios anelares em uma fina camada de ouro - para comparação, esses orifícios têm cerca de dois nanômetros, enquanto os transistores dos processadores atuais têm cerca de sete nanômetros.

Essas nanocavidades são preenchidas com dióxido de silício, que é essencialmente um vidro transparente, criando uma estrutura que lembra os cabos coaxiais usados para enviar sinais de TV, só que transmitem luz em vez de eletricidade. E, usando as mesmas técnicas de fabricação dos chips de computador, é possível construir esses nanocabos aos milhões.

"Outros [pesquisadores já] estudaram o acoplamento forte de luz e matéria, mas com este novo processo para fabricar uma versão nanométrica dos cabos coaxiais estamos expandindo as fronteiras do acoplamento ultraforte, o que significa que estamos descobrindo novos estados quânticos onde matéria e luz podem ter propriedades muito diferentes e coisas incomuns começam a acontecer," disse o professor Sang-Hyun Oh, da Universidade de Minnesota, nos EUA. "Este acoplamento ultraforte de luz e vibrações atômicas abre todos os tipos de possibilidades para o desenvolvimento de novos dispositivos baseados na mecânica quântica ou para a modificação de reações químicas."

• Interação entre luz e matéria chega ao nível dos fótons e átomos individuais

Acoplamento ultraforte

Quando se alcança o acoplamento ultraforte, as interações podem ser fortes o suficiente para que a natureza quântica da luz e das vibrações entrem em ação. Sob tais condições, a energia absorvida é transferida para frente e para trás entre a luz (fótons) nas nanocavidades e as vibrações atômicas (fônons) no material a uma taxa rápida o suficiente para que o fóton de luz e o fônon de matéria não possam mais ser distinguidos.

Sob tais condições, esses modos fortemente acoplados resultam em novos "objetos" da mecânica quântica, que são parte luz e parte vibração ao mesmo tempo. Esses objetos são conhecidos como "polaritons".

A possibilidade de produzir fótons a partir do vácuo já está sendo explorada pela computação quântica.
[Imagem: Antti Paraoanu]

Quanto mais forte a interação se torna, mais estranhos são os efeitos da mecânica quântica que podem ocorrer. Se a interação se tornar forte o suficiente, pode ser possível criar fótons a partir do vácuo ou fazer com que as reações químicas ocorram de maneiras que de outra forma seriam impossíveis.

"É fascinante que, neste regime de acoplamento, o vácuo não seja vazio. Em vez disso, ele contém fótons com comprimentos de onda determinados pelas vibrações moleculares. Além disso, esses fótons são extremamente confinados e são compartilhados por um número diminuto de moléculas," explicou o professor Luis Martin-Moreno, do Instituto de Nanociência e Materiais de Aragão, na Espanha, também membro da equipe.

Interação luz-matéria

A interação entre a luz e a matéria é fundamental para a vida na Terra - é ela que permite que as plantas convertam a luz do Sol em energia e nos permite ver os objetos ao nosso redor.

A luz infravermelha, com comprimentos de onda muito maiores do que podemos ver com nossos olhos, também interage com as vibrações dos átomos nos materiais. Por exemplo, quando um objeto é aquecido, os átomos que o compõem começam a vibrar mais rápido, emitindo mais radiação infravermelha, possibilitando imagens térmicas ou câmeras de visão noturna.

Por outro lado, os comprimentos de onda da radiação infravermelha que são absorvidos pelos materiais dependem dos tipos de átomos que constituem os materiais e de como eles estão dispostos. É isso que faz a diferença entre uma telha de alumínio e uma telha de cerâmica, mas também permite que os químicos usem a absorção infravermelha como uma "impressão digital" para identificar diferentes produtos químicos.

Assim, dá para imaginar a multiplicidade de aplicações que podem ser melhoradas aumentando a intensidade com que a luz infravermelha interage com as vibrações atômicas dos materiais. Um caminho já bem trilhado consiste em aprisionar a luz, fazendo-a refletir para frente e para trás entre um par de espelhos.

Mas as nanocavidades são muito mais eficientes porque permitem confinar a luz em escalas de comprimento ultrapequenas, levando a interações muito mais fortes entre os fótons e os átomos.

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