É internacional. Cientistas do MIT e da Universidade de Harvard realizaram pesquisas nas quais criaram uma nova forma de luz. A seguir, o relatório de pesquisa publicado pelo MIT.
Experimente um experimento rápido: pegue duas lanternas em uma sala escura e ligue-as para que seus feixes de luz cruzem. Notou algo estranho? A resposta comum é, provavelmente não. Isso porque os fótons individuais que compõem a luz não interagem. Em vez disso, eles simplesmente se cruzam, como espíritos indiferentes à noite.
Mas e se partículas de luz pudessem interagir, atrair e repelir uns aos outros como átomos na matéria comum? Uma possibilidade tentadora, se sci-fi: sabres de luz: raios de luz que podem puxar e empurrar uns aos outros, criando confrontos épicos deslumbrantes. Ou, em um cenário mais provável, dois feixes de luz poderiam se encontrar e se fundir em uma única corrente de luz.
Pode parecer que tal comportamento óptico exigiria a flexibilização das regras da física, mas, na verdade, cientistas do MIT, da Universidade de Harvard e de outros lugares mostraram que fótons podem interagir, um feito que poderia abrir o caminho para o uso de fótons na computação quântica, se não sabres de luz.
Um artigo publicado na revista Science, a equipe, liderada por Vladan Vuletic, professor de Física Lester Wolfe no MIT, e o professor Mikhail Lukin da Universidade de Harvard, relataram que observaram aglomerados de três fótons interagindo e, de fato, se unindo para formar um tipo totalmente novo de matéria fotônica.
Em experimentos controlados, os pesquisadores descobriram que quando um raio laser muito fraco brilhava através de uma densa nuvem de átomos de rubídio ultracold, em vez de deixar a nuvem como fótons únicos e espacialmente espaçados, os fótons se juntavam em pares ou trigêmeos, sugerindo algum tipo de interação, neste caso, atração, que ocorre entre eles.
Enquanto os fótons normalmente não têm massa e viajam a 300.000 quilômetros por segundo (a velocidade da luz), os pesquisadores descobriram que os fótons ligados realmente adquiriram uma fração da massa de um elétron. Essas partículas de luz recém-pesadas também eram relativamente lentas, viajando cerca de 100.000 vezes mais lentas que os fótons normais que não interagem.
Vuletic disse que os resultados mostram que fótons podem atrair ou emaranhar uns aos outros. Se eles podem ser feitos para interagir de outras maneiras, os fótons podem ser aproveitados para realizar computação quântica extremamente rápida e incrivelmente complexa. "A interação dos fótons individuais tem sido um sonho muito longo por décadas", disse ele.
Os coautores do Vuletic incluem Qi-Yung Liang, Sergio Cantu e Travis Nicholson do MIT, Lukin e Aditya Venkatramani de Harvard, Michael Gullans e Alexey Gorshkov da Universidade de Maryland, Jeff Thompson da Universidade de Princeton e Cheng Ching da Universidade de Chicago.
Vuletic e Lukin dirigem o MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, e juntos eles têm procurado maneiras, tanto teóricas quanto experimentais, de promover interações entre fótons. Em 2013, o esforço valeu a pena, já que a equipe observou pares de fótons interagindo e se unindo pela primeira vez, criando um estado totalmente novo de matéria.
Em seu novo trabalho, os pesquisadores se perguntaram se as interações poderiam ocorrer não apenas entre dois fótons, mas mais.
"Por exemplo, você pode combinar moléculas de oxigênio para formar O2 e O3 (ozônio), mas não O4, e para algumas moléculas você não pode formar nem mesmo uma molécula de três partículas", explicou Vuletic. "Então, era uma pergunta aberta: você pode adicionar mais fótons a uma molécula para fazer coisas maiores e maiores?"
Para descobrir, a equipe usou a mesma abordagem experimental que usou para observar as interações de dois fótons. O processo começa com o resfriamento de uma nuvem de átomos de rubídio a temperaturas ultracold, apenas um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Ao resfriar os átomos, ele os retarda para quase parar. Através desta nuvem de átomos imobilizados, os pesquisadores então brilham com um raio laser muito fraco, tão fraco, na verdade, que apenas um punhado de fótons viajam através da nuvem ao mesmo tempo.
Os pesquisadores então medem os fótons quando saem do outro lado da nuvem atômica. No novo experimento, eles descobriram que os fótons fluíam como pares e trigêmeos, em vez de deixar a nuvem em intervalos aleatórios, como fótons isolados que não têm nada a ver uns com os outros.
Além de rastrear o número e a velocidade dos fótons, a equipe mediu a fase dos fótons, antes e depois de viajarem pela nuvem atômica. A fase de um fóton indica sua frequência de oscilação.
"A fase diz o quão fortemente eles estão interagindo, e quanto maior a fase, mais fortes eles estão ligados", disse Venkatramani. A equipe observou que quando partículas de três fótons deixaram a nuvem atômica simultaneamente, sua fase mudou em comparação com o que tinham quando os fótons não interagiam, e era três vezes maior do que a mudança de fase de moléculas de dois fótons. "Isso significa que esses fótons não só interagem independentemente uns dos outros, mas também interagem juntos."
Encontros memoráveis
Os pesquisadores então desenvolveram uma hipótese para explicar o que pode ter causado a interação dos fótons. Seu modelo, baseado em princípios físicos, apresenta o seguinte cenário: quando um fóton se move através da nuvem de átomos de rubídio, ele pousa brevemente em um átomo próximo antes de saltar para outro átomo, como uma abelha vibrando entre flores, até chegar à outra extremidade.
Se outro fóton viaja simultaneamente através da nuvem, ele também pode passar algum tempo em um átomo de rubídio, formando um polariton, um híbrido que faz parte do fóton, parte do átomo. Então, dois polaritons podem interagir entre si através de seu componente atômico. Na borda da nuvem, os átomos permanecem onde estão, enquanto os fótons saem, ainda ligados. Os pesquisadores descobriram que esse mesmo fenômeno pode ocorrer com três fótons, formando um vínculo ainda mais forte do que as interações entre dois fótons.
"O interessante foi que esses trigêmeos se formaram", acrescentou Vuletic. "Também não se sabia se eles teriam um limite igual, menor ou mais forte em comparação com pares de fótons."
Toda interação dentro da nuvem atômica ocorre mais de um milionésimo de segundo. E é essa interação que faz com que os fótons fiquem juntos, mesmo depois de terem deixado a nuvem.
"O bom disso é que quando os fótons passam pelo meio, o que quer que aconteça no meio, eles 'se lembram' quando saem", disse Cantu.
Isso significa que os fótons que interagiram entre si, neste caso através de uma atração entre eles, podem ser considerados fortemente correlacionados ou emaranhados, uma propriedade fundamental para qualquer bit de computação quântica.
"Os fótons podem viajar muito rápido em longas distâncias, e as pessoas têm usado a luz para transmitir informações, como em fibras ópticas", disse Vuletic. "Se os fótons podem influenciar uns aos outros, então se você pode emaranhar esses fótons, e nós temos, você pode usá-los para distribuir informações quânticas de uma maneira interessante e útil."
No futuro, a equipe procurará maneiras de forçar outras interações, como a repulsa, onde fótons podem se espalhar uns para os outros como bolas de bilhar.
"É completamente novo no sentido de que nem sabemos às vezes qualitativamente o que esperar", concluiu Vuletic. "Com a repulsa dos fótons, eles podem ser tais que formam um padrão regular, como um cristal de luz? Ou vai acontecer outra coisa? É um território muito desconhecido."
A pesquisa foi apoiada em parte pela Fundação Nacional de Ciência.
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