CIÊNCIA

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Quando a luz atrai a luz

Brasileiros mostram que dois fótons podem se ligar e apresentar comportamento semelhante ao de pares de elétrons em supercondutores

MARCOS PIVETTA | ED. 263 | JANEIRO 2018

 

Laser vermelho atravessa recipiente com água e produz pares de fótons ligados

Um grupo de físicos brasileiros descobriu que alguns fótons, partículas de luz, podem apresentar à temperatura ambiente uma propriedade típica dos elétrons em materiais supercondutores. Ao atravessar líquidos transparentes, um pequeno número de fótons troca vibrações com as moléculas do meio e se junta em duplas. Nesse processo há troca de energia entre os fótons. A energia perdida por uma das partículas de luz passa para o meio, que imediatamente a repassa para a outra partícula. Assim, a energia liberada por um fóton é exatamente igual à recebida pelo outro, criando uma ligação entre as duas partículas. Nos supercondutores, quando dois elétrons interagem dessa maneira e se unem em um duo, forma-se um par de Cooper, efeito quântico conhecido desde o final da década de 1950. Em partículas de luz, um fenômeno análogo nunca havia sido descrito até a publicação do estudo de pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 9 de novembro no periódico científico Physical Review Letters.

A presença de pares de Cooper, duplas de elétrons ligados, anula a resistência à passagem de corrente elétrica em materiais que, quando resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C), se tornam supercondutores. “Mas, no caso do nosso experimento, não podemos falar em supercondutividade da luz”, pondera o físico Ado Jorio, da UFMG, coordenador dos experimentos que registraram a ocorrência de pares de fótons em oito líquidos transparentes distintos, inclusive a água. “Podemos dizer que partículas da luz podem apresentar o mesmo fenômeno desses pares de elétrons.”

Nos experimentos, Jorio e seus colegas emitiram um feixe de laser vermelho, composto por pulsos ultrarrápidos e intensos, na direção de um recipiente transparente contendo um líquido incolor. Dois detectores mediram o tempo de saída e a energia de cada fóton que atravessou o sistema. Se duas partículas de luz são registradas exatamente ao mesmo tempo, tendo uma ganhado energia e outra perdido, como de fato ocorreu, essa medição indica que os dois fótons estão emparelhados. O experimento também foi repetido com sucesso utilizando materiais sólidos transparentes, que não absorvem a luz, como o diamante e o quartzo, no lugar do meio líquido.

Apesar de análogo à formação dos pares de Cooper em supercondutores, o fenômeno observado em partículas de luz foi muito menos intenso. A cada segundo, cerca de 10 quatrilhões de fótons eram emitidos pela fonte de laser e atingiam o meio líquido transparente. Desse total, apenas 10 duplas de partículas de luz se mostraram emparelhadas. “A formação dos pares de fótons obtida até o momento constitui fenômeno muito raro”, comenta a física Belita Koiller, da UFRJ, coautora do estudo que coordenou a parte teórica usada para orientar os trabalhos com laser em meio líquido transparente.

Vibrações que atraem
Cerca de um ano antes do início dos experimentos, o grupo de Belita tinha indícios, por meio de modelagem matemática, de que as partículas de luz poderiam apresentar, em determinadas condições, um comportamento similar ao dos elétrons pareados. “Mas preferimos obter também evidências experimentais do fenômeno antes de publicarmos qualquer coisa”, explica a física. O mecanismo que leva as partículas de luz a interagir e se juntar em duplas ao atravessar um meio transparente é análogo ao processo de formação dos pares de Cooper nos supercondutores.

Soltos no espaço, dois elétrons, que têm carga negativa, não se atraem. Afinal, duas partículas com cargas iguais se repelem. Mas, se dois elétrons estiverem dentro de um supercondutor, eles podem se atrair. Esse fenômeno quântico pode ser explicado de forma simplificada. Ao se deslocar pelo material, um elétron passa perto dos núcleos dos átomos que constituem esse meio e os faz vibrar e se aproximar. Se outro elétron cruzar a região onde os núcleos atômicos estão oscilando, ele tende a se avizinhar da vibração e ser atraído em direção ao primeiro elétron. Assim, essa atração faz com que os elétrons fiquem ligados, formando pares de Cooper. Como a luz não é supercondutora, não era esperado que, ao passar pela água, um feixe de laser levasse à formação de pares de fótons, ainda que com uma intensidade muito menor do que no caso dos elétrons nos supercondutores. Mas, segundo o artigo de Jorio, Belita e seus colegas, a interação de dois fótons com as vibrações das moléculas de H20 também pode gerar pares de partículas de luz emparelhadas.

Nos supercondutores, a ausência de resistência ao transporte de corrente elétrica tem sido explorada no desenvolvimento de várias tecnologias, como os ímãs de espectrômetros de massa e de aparelhos de ressonância magnética. Ainda é cedo para saber se a existência de pares de fótons em meios transparentes pode gerar alguma aplicação. “Essa é uma descoberta surpreendente. As consequências dessa atração entre fótons não são nada evidentes. Os autores mencionam que os pares de fótons vão ficar emaranhados. Isso significa que as propriedades de um passarão a depender do outro”, comenta o físico Luiz Nunes de Oliveira, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), que não participou do estudo. “Isso é interessante e dará origem a muitos estudos. Por ora, parece improvável que haja alguma consequência prática dessa descoberta. Mas o trabalho cumpre o objetivo maior da ciência, que é nos ajudar a entender melhor a natureza.”

Artigo científico
SILVEIRA, A. et al. Photonic counterparts of cooper pairs. Physical Review Letters. 9 nov. 2017.


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