Gás feito de luz é criado pela primeira vez

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 16/09/2024

Transies de fase da luz

H pouco mais de uma dcada os fsicos observaram pela primeira vez uma transio de fase da luz, e logo tudo ficou ainda mais enigmtico quando se percebeu que a luz lquida tem “comportamento social” e at poder de deciso.

Tambm j conhecamos um gs de luz, mas agora fsicos alemes criaram um gs de luz unidimensional, o que permitiu que eles testassem previses tericas sobre a transio para esse estado extico da matria pela primeira vez.

O gs de luz no serve para encher um balo, j que formado por uma nica camada de ftons, assim como a matria unidimensional, como o grafeno e seus equivalentes, so formados por uma nica camada de tomos. Mas uma analogia permite vislumbrar melhor o resultado do experimento.

Imagine que voc est em uma piscina e tem a ideia de ench-la com ainda mais gua. Voc pega uma mangueira e a usa para lanar um jato de gua, que se curva em um arco que finalmente cai na superfcie da piscina. O nvel da gua aumenta brevemente no ponto em que o jato de gua atinge a piscina, mas essa mudana no nvel da gua mnima porque a gua que cai rapidamente distribuda por toda a extenso da piscina.

O efeito diferente, no entanto, se voc usar o mesmo jato de gua para encher uma calha ou um canal estreito. O jato cria uma onda de gua no ponto onde voc mira a mangueira porque as paredes da calha garantem que a gua no possa fluir para os lados, s sendo distribuda na direo longitudinal – quanto mais estreita a calha, maior a amplitude da onda e, portanto, mais “unidimensional” ela se torna.

Leve isto ao extremo, troque as molculas de gua por ftons e use uma calha estreita o suficiente, e voc conseguir criar um gs de luz, descobriram Kirankumar Umesh e colegas das universidades de Bonn e Kaiserslautern-Landau.

Kirankumar Umesh mostra a pea central do experimento, um espelho ressonador impresso com estruturas de polmero.
[Imagem: Volker Lannert/Uni Bonn]

Gs unidimensional de luz

Em seu experimento, os pesquisadores encheram um pequeno recipiente com uma soluo de corante e energizaram as molculas do corante usando um laser. Os ftons resultantes ricocheteavam para frente e para trs entre as paredes reflexivas do recipiente e, sempre que colidiam com uma molcula de corante, eram resfriados at que, finalmente, o gs de ftons se condensou.

A dimensionalidade do gs pode ser influenciada alterando-se as caractersticas da superfcie reflexiva. “Conseguimos aplicar um polmero transparente s superfcies reflexivas para criar protruses microscopicamente pequenas,” explicou Julian Schulz, membro da equipe. “Essas protruses nos permitem capturar os ftons em uma ou duas dimenses e condens-los.”

“Esses polmeros funcionam como um tipo de calha, mas neste caso para luz,” acrescentou Umesh, referindo-se analogia com a gua. “Quanto mais estreita for essa calha, mais unidimensionalmente o gs se comporta.”

Em duas dimenses, h um limite de temperatura preciso no qual a condensao ocorre, semelhante a como a gua congela precisamente a zero grau Celsius. “No entanto, as coisas so um pouco diferentes quando criamos um gs unidimensional, em vez de um bidimensional,” explicou o professor Frank Vewinger. “As chamadas flutuaes trmicas ocorrem em gases de ftons, mas so to pequenas em duas dimenses que no tm impacto real. No entanto, em uma dimenso essas flutuaes podem – figurativamente falando – fazer grandes ondas.”

Enchendo o microrressonador com a soluo de corante para resfriar os ftons.
[Imagem: Volker Lannert/Uni Bonn]

Gases qunticos degenerados

As flutuaes termais destroem a ordem dos sistemas unidimensionais, de modo que diferentes regies dentro do gs no se comportam mais da mesma forma. Como resultado, a transio de fase, que ainda definida precisamente em duas dimenses, torna-se cada vez mais “borrada” quanto mais unidimensional o sistema se torna.

No entanto, as propriedades do gs de luz ainda so governadas pela fsica quntica, como no caso dos gases bidimensionais, e esses tipos de gs so chamados de gases qunticos degenerados. como se a gua se transformasse em uma forma de gua gelada em baixas temperaturas sem nunca congelar completamente ao resfriar. “Agora fomos capazes de investigar esse comportamento na transio de um gs de ftons bidimensional para um unidimensional pela primeira vez,” disse Vewinger.

E essas investigaes mostraram que os gases de ftons unidimensionais no tm um ponto de condensao preciso. E, fazendo pequenas mudanas nas estruturas do polmero reflexivo, torna-se possvel investigar fenmenos que ocorrem na transio entre diferentes dimensionalidades em grande detalhe.

Tudo isto ainda considerado pesquisa bsica no momento, mas possvel que possa abrir novas reas de aplicao para efeitos pticos qunticos, sugerem os pesquisadores. Afinal, menos de uma dcada depois de sua demonstrao, hoje a luz lquida j usada na computao, incluindo qubits de luz lquida para computadores qunticos, e com promessas para estabelecer uma ponte entre a eletrnica e a fotnica.

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