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Nobel de Física

Nobel de Física vai para criadores de ferramentas de luz

O norte-americano Arthur Ashkin recebeu o prêmio por desenvolver pinças ópticas e o francês Gérard Mourou e a canadense Donna Strickland por avanços que levaram ao laser de pulsos mais rápidos e intensos

Arthur Ashkin, Gérard Mourou e Donna Strickland

Niklas Elmehed / Nobel Media

O prêmio Nobel de Física de 2018, anunciado pela Real Academia de Ciências da Suécia na terça-feira (2/10), reconheceu o trabalho de três pesquisadores que ampliaram a possibilidade de uso do laser para investigações de fenômenos na escala das células e das partículas atômicas. As técnicas desenvolvidas têm também aplicações na medicina, como a realização de cirurgias e tratamentos contra o câncer.

O físico norte-americano Arthur Ashkin, que aos 96 anos é o mais idoso ganhador de um Nobel, receberá 4,5 milhões de coroas suecas (cerca de US$ 500 mil) correspondentes à metade do prêmio. Trabalhando nos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, ele desenvolveu ao longo de quase duas décadas uma ferramenta que se tornaria conhecida com pinça óptica ou pinça de luz: um feixe muito focalizado de laser que permite aprisionar e manipular uma infinidade de objetos microscópicos (inclusive células vivas) sem danificá-los.

A outra metade do prêmio será igualmente dividida entre os físicos francês Gérard Mourou e a canadense Donna Strickland, a terceira mulher a receber um Nobel de Física – a primeira nos últimos 55 anos. Em meados dos anos 1980, Mourou e Donna apresentaram uma estratégia que permitiu superar barreiras técnicas na produção de laser, permitindo aumentar sua intensidade e reduzir a duração do pulso a escalas que não se imaginava ser possível alcançar.

“Os trabalhos são mesmo muito bonitos e relevantes”, afirma o físico Carlos Henrique de Brito Cruz, professor do Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e diretor científico da FAPESP. “Os três fizeram invenções e descobertas seminais e de muito impacto no mundo da ciência e da tecnologia”, diz o pesquisador, que, durante um estágio de pós-doutorado nos Laboratórios Bell, em 1986 e 1987, acompanhou o trabalho de Ashkin.

Desde que as primeiras fontes de laser foram produzidas nos anos 1960, sua intensidade aumentou continuamente até atingir um limite nos anos 1980. As técnicas então disponíveis não permitiam ir além porque destruíam o material usado na amplificação da luz. A partir de certa intensidade, o cristal que a luz atravessa diversas vezes para ganhar energia sofria danos e tudo parava de funcionar. Em um trabalho publicado em 1985 na revista Optics Communication, Mourou e Donna apresentaram uma estratégia que possibilitaria superar essa barreira. Hoje pesquisadora na Universidade de Waterloo, Canadá, Donna era na época aluna de doutorado de Mourou na Universidade de Rochester, nos Estados Unidos. Mourou é professor da Escola Politécnica em Palaiseau, na França, e da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

No trabalho, a primeira publicação científica de Donna, ela e o orientador se inspiraram em uma estratégia proposta anos antes por outro pesquisador para criar equipamentos de radar mais potentes, que não queimassem o sistema de amplificação que fornecia energia aos pulsos de micro-ondas e lhes permitissem alcançar distâncias maiores. Como a luz é uma forma de radiação eletromagnética, assim como as micro-ondas, Donna e Mourou decidiram usar a mesma estratégia, chamada amplificação por pulso chilreado (CPA).

Nessa estratégia, ao atravessar um conjunto de prismas, o pulso de luz é decomposto em diferentes cores (comprimento de onda), cada uma delas com menos energia. Isso permite que passem pelo amplificador sem danificá-lo e, depois de atravessar outro conjunto óptico, reunir todas as cores em um pulso bem mais energético e mais breve. “Um sistema como esse aumenta em 1 milhão de vezes a energia do laser sem destruir o cristal amplificador”, explica o físico Nilson Dias Vieira Junior, pesquisador do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), que, no início da década passada, construiu, com apoio da FAPESP, o então mais potente laser do hemisfério Sul usando o sistema CPA. “O controle temporal da luz obtido a partir dessa estratégia permitiu produzir fontes de laser que reproduzem condições extremas, semelhantes à do interior das estrelas.”

Arquivo Pessoal Nilson Dias Vieira Jr.Os físicos Nilson Dias Vieira Jr. (de preto, à dir.), sua esposa Martha Vieira, Ricardo Samad e Lilia Courrol com Gérard Mourou (ao fundo, à esq.) e sua esposa em 2006 na brasserie Balzar, em ParisArquivo Pessoal Nilson Dias Vieira Jr.

Fontes de laser mais intensas e de pulsos muito mais curtos permitem controlar melhor a interação da luz com a matéria. “Com elas, é possível recortar a córnea de um doador e esculpir a área na qual será implantada no olho de quem a recebe”, conta Vieira Junior. “O encaixe é tão perfeito, com precisão da ordem do micrômetro, que dispensa suturas.”

Pulsos ultracurtos, que duram attossegundos (10-18 do segundo), também tornam possível produzir imagens de fenômenos ultrarrápidos, como o movimento de uma partícula de carga elétrica negativa (elétron) ao redor do núcleo atômico. “Eles nos permitem medir a duração de fenômenos que antes, de tão rápidos, eram considerados instantâneos”, completa o físico do Ipen, que também estagiou nos Laboratórios Bell de 1981 a 1984.

Alguns centros de pesquisa mais avançados já começam a realizar testes com esse tipo de laser para acelerar partículas de carga elétrica positiva (prótons) com possível aplicação no tratamento de algumas formas de câncer. Hoje são necessários grandes aceleradores de partículas, que ocupam instalações com dezenas a centenas de metros, para produzir prótons para o tratamento oncológico. Em um espaço de apenas 10 centímetros, fontes de laser de alta intensidade já aceleram elétrons a energias bem próximas às obtidas nos aceleradores de partículas convencionais. Esses elétrons energéticos e a radiação produzida ao serem freados podem ser usadas tanto na terapia de tumores como na investigação da estrutura da matéria. Com mais aprimoramento, talvez se torne possível, no futuro, substituir aceleradores de partículas por fontes de laser.

Quase simultaneamente ao trabalho de Mourou e Donna, Arthur Ashkin, nos Laboratórios Bell, demonstrou em um artigo publicado em 1986 na revista Optics Letters que era possível usar um único feixe laser, bastante focado, para prender e manipular uma partícula microscópica. Desde os anos 1970 o físico usava laser para manusear partículas e já havia conseguido mantê-las imóveis em um sistema tridimensional usando seis feixes de laser não focalizados. Em dois trabalhos publicados em 1987, um na revista Science e outro na Nature, Ashkin mostrou que era possível usar o laser focalizado para manipular vírus e bactérias e células vivas sem danificá-las. “Isso fez explodir o interesse pela área”, conta o físico Carlos Lenz Cesar, hoje professor na Universidade Federal do Ceará.

De 1988 a 1990, Cesar fez um estágio de pós-doutorado nos Laboratórios Bell onde teve contato com Ashkin e descobriu as pinças ópticas. Cesar investigava outro fenômeno, mas, no retorno ao Brasil, decidiu instalar na Unicamp, em 1991, o primeiro equipamento de pinças ópticas do país. Em colaboração com médicos do hemocentro da universidade, Cesar inicialmente estudou as propriedades físicas da membrana das hemácias, que ficam enrijecidas na anemia falciforme. A cooperação com biólogos e médicos ampliou-se e o grupo hoje usa a técnica para, entre outras coisas, manipular o material genético de células ou medir as forças envolvidas na replicação do DNA durante a divisão celular.

Na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), uma equipe multidisciplinar coordenada pelo físico Herch Moysés Nussenzveig começou a usar mais tarde essa estratégia para estudar as propriedades físicas da membrana que define a forma de diferentes tipos de células do organismo (ver Pesquisa FAPESP nº 213). O trabalho de Ashkin forneceu a base para o trabalho do físico norte-americano Steven Chu, seu colega nos Laboratórios Bell, criar armadilhas para aprisionar átomos, o que lhe rendeu o Nobel de Física de 1997.