Ferramentas feitas de luz

A Academia Real de Ciências da Suécia decidiu atribuir o Prêmio Nobel de Física de 2018 devido às invenções inovadoras no campo da física a laser.

© Johan Jarnestad (ilustração do pulso de laser)

Os laureados foram Arthur Ashkin, de 96 anos, do Bell Laboratories (EUA), pelas pinças ópticas que possibilitam a manipulação de pequenas partículas e sua aplicação aos sistemas biológicos; Gérard Mourou, de 74 anos, da École Polytechnique (França) e Universidade de Michigan (EUA), em conjunto com Donna Strickland, de 59 anos, da Universidade de Waterloo (Canadá), pelo método de geração de pulsos ópticos ultracurtos de alta intensidade. Os físicos Strickland e Mourou desenvolveram seu trabalho juntos na Universidade de Rochester, em Nova York, nos anos 80.

Os três compartilharão o prêmio de 9 milhões de coroas suecas, equivalente a 4 milhões de reais, sendo metade atribuída à Ashkin.

Em toda a história do Prêmio Nobel, criado em 1901, apenas duas mulheres tinham recebido o prêmio de Física: Marie Curie, em 1903, e Maria Goeppert-Mayer, em 1963.

Estas invenções revolucionaram a física a laser, onde objetos extremamente pequenos e processos incrivelmente rápidos estão agora sendo vistos sob uma nova luz. Instrumentos avançados de precisão estão abrindo áreas de pesquisa inexploradas e uma infinidade de aplicações industriais e médicas.

Usando uma abordagem engenhosa, eles conseguiram criar pulsos de laser de alta intensidade ultracurtos sem destruir o material. Primeiro eles esticaram os pulsos de laser a tempo de reduzir seu pico de potência, depois os amplicaram e finalmente os comprimiram. Se um pulso é comprimido no tempo e se torna mais curto, então mais luz é reunida no mesmo espaço minúsculo, a intensidade do pulso aumenta dramaticamente.

A técnica inventada por Strickland e Mourou, chamada de Chirped Pulse Amplification (CPA), logo se tornou padrão para os lasers subsequentes de alta intensidade. Seus usos incluem os milhões de cirurgias oculares corretivas que são realizadas todos os anos usando os raios laser mais nítidos.

Arthur Ashkin teve um sonho: imagine se raios de luz pudessem ser postos em ação e mover objetos. Na série Star Trek que começou em meados dos anos 1960, um raio trator pode ser usado para recuperar objetos, até mesmo asteroides no espaço, sem tocá-los. Claro, isso soa como pura ficção científica.

Podemos sentir que os raios do Sol carregam energia, embora a pressão do feixe é pequeno demais para que possamos sentir um pequeno cutucão. Mas sua força poderia ser suficiente para empurrar minúsculas partículas e átomos?

Imediatamente após a invenção do primeiro laser em 1960, Ashkin começou a experimentar com o novo instrumento na Bell Laboratories. Em um laser, as ondas de luz se movem de forma coerente, diferentemente luz branca comum em que os feixes são misturados em todas as cores do arco-íris e espalhados em todas as direções.

Ashkin percebeu que um laser seria a ferramenta perfeita para fazer com que os feixes de luz pudessem mover pequenas. Ele iluminou esferas transparentes de tamanho micrométrico e, imediatamente fez as esferas se moverem. Ao mesmo tempo, Ashkin ficou surpreso com a forma como as esferas foram deslocadas em direção ao meio do feixe, onde era mais intenso. A explicação é que num feixe de laser a sua intensidade diminui do centro para os lados. Portanto, a pressão da radiação que a luz do laser exerce sobre as partículas também varia, impulsionando-as em direção ao meio d o feixe, que mantém as partículas no centro.

Para também segurar as partículas na direção do feixe, Ashkin adicionou uma lente forte para focar a luz do laser. As partículas foram então atraídas para o ponto que tinha a maior intensidade de luz. Assim, nasceu uma armadilha, que veio a ser conhecida como pinças ópticas.

As inúmeras áreas de aplicação ainda não foram completamente exploradas, tais como: dispositivos eletrônicos mais rápidos, células solares mais eficazes, melhores catalisadores, aceleradores mais potentes, novas fontes de energia, ou manipulações farmacêuticas.

No entanto, mesmo agora essas célebres invenções nos permitem remexer no micromundo no melhor espírito de Alfred Nobel, para o maior benefício para a humanidade.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Luz ultravioleta produz raios X

Foi descoberta uma maneira de usar a luz ultravioleta para produzir raios X.

© H. Kapteyn/M. Murnane/JILA (laser infravermelho e ultravioleta)

A imagem acima mostra lasers infravermelhos gerando pulsos longos (em cima) e lasers ultravioletas (embaixo) gerando pulsos de raios X muito curtos.

Esta técnica proporciona a melhoria no desempenho dos equipamentos de imageamento médico, além de permitir avanços nos estudos fundamentais de materiais.

Atualmente, os pulsos de laser mais curtos que se consegue gerar são produzidos por um processo denominado geração de harmônicos (HHG: high harmonic generation), que usa um pulso gerador longo para arrancar elétrons de átomos gasosos; quando estes elétrons retornam, é produzida luz com comprimentos de onda mais curtos, ou seja, um pulso menor. A chamada correspondência de fase, quando estes pulsos são alinhados com os raios X emitidos, é útil para várias aplicações, como o imageamento por difração.

No entanto, a correspondência de fase funciona melhor com comprimentos de onda mais longos, gerados por lasers na faixa do infravermelho médio, por exemplo, e apenas com níveis específicos de átomos ionizados.

Dimitar Popmintchev e seus colegas superaram essas limitações usando um sistema de geração de harmônicos que usa lasers ultravioleta em comprimentos de onda capazes de estimular feixes luminosos na região mais baixa do espectro de raios X.

O processo de alta geração harmônica em gases foi descoberto usando lasers ultravioleta quase 28 anos atrás. Mas, porque os cientistas daquela época não entendiam plenamente como fazer este processo eficiente, a atenção voltou-se para usar lasers de longo comprimento de onda para HHG. Na verdade, há muitos anos, a maioria dos cientistas acreditava que a produção de harmônicos de raios X moles com lasers ultravioleta seria impossível.

Em um efeito surpreendente, a refração dos raios ultravioleta, tanto nos átomos neutros como nos íons, permitiu obter um acoplamento de fase eficaz, o que por sua vez permite trabalhar em cenários mais complexos, incluindo plasmas com diferentes níveis de ionização, e não mais os níveis bem definidos exigidos pelas técnicas anteriores.

Esta nova técnica pode produzir harmônicos com fótons de até 280 eV (elétron-volts de energia); as técnicas anteriores, usando lasers infravermelhos, só chegavam a essa energia sob pressões muito baixas.

O grupo de cientistas está usando a luz ultravioeta gerado por laser harmônicos para investigar nanomateriais através de imageamento por difração. Em breve, os pesquisadores esperam produzir luz de comprimento de onda mais curto, que lhes permitirão uma resolução espacial mais elevada para analisar materiais biológicos como o DNA, RNA, proteínas e vírus.

Fonte: Science

Acelerador de partículas compacto

Um acelerador de partículas pequeno atingiu energias que competem com instalações de grande extensão.

© Berkeley Lab (acelerador de partículas compacto)

O pesquisador Wim Leemans e seus colegas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (EUA) aceleraram elétrons no interior de um tubo de plasma com apenas 9 cm de comprimento. A velocidade alcançada pelos elétrons correspondeu a uma energia de 4,25 GeV (gigaelétron-volts).

A aceleração em uma distância tão curta corresponde a um gradiente de energia mil vezes maior do que a obtida nos aceleradores de partículas tradicionais e marca um recorde mundial de energia para aceleradores desse tipo, conhecidos como laser-plasma. Em 2013, outra equipe havia alcançado 2 GeV em um acelerador de 2 cm de comprimento.

Neste ano, o LHC (Large Hadron Collider), que tem 27 km de diâmetro, deverá atingir energias totais de 14 TeV (teraelétron-volts). Mas mesmo instalações de tamanho padrão exigem túneis com centenas de metros de comprimento para chegar aos gigaelétron-volts (GeV).

© Berkeley Lab (simulação da evolução do plasma)

A imagem acima mostra uma simulação computadorizada da evolução do plasma no interior do pequeno acelerador.

Aceleradores de partículas tradicionais, como o LHC, aceleram as partículas modulando campos elétricos dentro de conduítes metálicos. É uma técnica que tem um limite de cerca de 100 MeV/m (megaelétron-volts por metro), porque além disso o próprio metal do conduíte é destruído.

Os aceleradores laser-plasma adotam uma abordagem completamente diferente. No caso deste experimento, um pulso de luz laser é injetado em um tubo cheio de plasma por uma abertura de apenas 500 micrômetros. O laser cria um canal através do plasma, assim como ondas que capturam elétrons livres e os aceleram.

A equipe acredita poder alcançar os 10 GeV com este pequeno acelerador de elétrons. Para isso, segundo Leemans, eles precisarão controlar com mais precisão a densidade do canal de plasma através do qual o laser flui. Em essência, eles precisarão criar um túnel para o pulso de luz que tenha o formato preciso para lidar com os elétrons mais energéticos.

O acelerador de partículas de diminuta dimensão depende de um poderoso laser para gerar os pulsos de alta potência que devem ser injetados no plasma. Neste experimento foi usado um dos lasers mais poderosos do mundo, o BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator), capaz de atingir energias na classe dos petawatts (quatrilhões de watts).

Os resultados aparecem no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Lawrence Berkeley National Laboratory

Ultrapassando os limites da difração

Microscópios ópticos são amplamente utilizados em todas as áreas da ciência para ampliar a imagem de pequenos objetos.

© Tung-Yu Su/NTU (imagem de nanoestrutura)

No entanto, devido ao seu design e os limites de difração, os menores recursos que microscópios convencionais podem imagear são cerca de metade do comprimento de onda da luz que eles usam.

O físico Shi-Wei Chu, da Universidade Nacional da Tailândia, e colegas relataram uma nova técnica que supera esse limite de resolução e pode efetuar imagens de nanoestruturas, da ordem de 70 nanômetros de tamanho, inferior a um oitavo do comprimento de onda da luz visível usada em sua configuração.

O grupo montou um microscópio óptico comum com um laser e utilizou uma amostra contendo nanopartículas de ouro. O comprimento de onda do laser foi escolhido de modo que ficasse em ressonância com as partículas plasmônicas. Como consequência, a luz laser apresentou particularmente forte dispersão. Ao ajustar a intensidade do laser, os pesquisadores foram capazes de alcançar, pela primeira vez, um regime em que a luz dispersou a partir de uma partícula isolada quando foi saturada. Com técnicas de processamento de imagem apropriados, tal comportamento de saturação pode ser explorada para proporcionar imagens mais nítidas das nanoestruturas plasmônicas.

Enquanto este método apenas funciona para as nanopartículas de ouro, partículas podem ser incorporadas seletivamente de outros materiais. Embora outras técnicas recentemente demonstradas, principalmente com base em microscopia de fluorescência, permitem resolução comparável ou até melhor, este método com nanopartículas de ouro tem uma vantagem importante: as amostras podem ser fotografadas várias vezes sem danos e sem perda de intensidade de espalhamento que, nos regimes baseados em fluorescência, inevitavelmente ocorrem por causa do branqueamento das moléculas fluorescentes.

Fonte: Physical Review Letters

Triângulos emissores de luz

Pesquisadores nos EUA conseguiram pela primeira vez produzir naturalmente camadas únicas de átomos do mineral tungstenite.

© Terrones Lab (camadas triangulares de tungstenite)

As folhas parecem ter propriedades de fotoluminescência invulgares que podem ser exploradas em dispositivos ópticos como lasers e diodos emissores de luz.
Os materiais 2D têm diferentes propriedades eletrônicas e mecânicas de seus pares em 3D e assim é possível encontrar utilidade em uma variedade de aplicações de dispositivos inovadores. Até agora, no entanto, a maioria das pesquisas neste campo centrou-se sobre o mais famoso dos materiais 2D, o grafeno, mas o fato de que esse material não tem um gap eletrônico direto significa que outros candidatos 2D também devem ser explorados.
Uma equipe liderada por Mauricio Terrones e Crespi Vicente da Penn State University, nos EUA, produziram monocamadas de tungstenite (WS₂). Depositando minúsculos cristais de óxido de tungstênio com menos de um nanômetro de altura e, em seguida, passando estes cristais de enxofre em vapor com altas temperaturas de 850 °C. O resultado gerou monocamadas de dissulfureto de tungstênio dispostas num padrão com formato colmeia de abelha triangular que compreendem átomos de tungstênio ligados a átomos de enxofre.
Foi observado que esses triângulos brilham fortemente em suas bordas, ao invés dos seus centros; um efeito de fotoluminescência periférico que nunca obtido e que não tem sido relatado antes.
A fotoluminescência ocorre quando os portadores de carga (elétrons e lacunas) recombinam numa estrutura para emitir luz de um comprimento de onda diferente do que é utilizado para excitar o primeiro material. Os defeitos estruturais criados perto das bordas de um triângulo parece ser o lugar privilegiado para emissão de luz.
Os sistemas 2D são intrinsecamente diferentes dos seus homólogos a granel em 3D, e o WS₂ não é exceção. Enquanto o material a granel é um semicondutor de gap indireto, o material de camada única, dispõe de um gap direto. Os gaps diretos são importantes em semicondutores, porque permitem que os dispositivos feitos a partir destes materiais emitem luz eficientemente.
Segundo a equipe, os triângulos de WS₂ podem ser apliacados em optoeletrônica. Futuramente, eles poderão até vir a calhar como biomarcadores ou em tecnologia a laser.
Os pesquisadores agora planejam produzir outros materiais 2D que têm diferentes propriedades ópticas e eletrônicas. Alguns exemplos incluem MoSe₂, NbS₂ e WSe₂. A equipe almeja compreender e controlar a emissão de luz a partir de materiais 2D com melhor eficiência, e tentar esculpir os triângulos em múltiplos dispositivos.

Fonte: Nano Letters

Medindo o formato de um fóton

Pesquisadores conseguiram pela primeira vez medir o complexo "formato" de um fóton, as assim chamadas "partículas" individuais da luz.

© M. Bellini/NIO (ilustração do formato de um fóton)

O feito teve a participação da brasileira Katiuscia Nadyne Cassemiro, professora da Universidade Federal de Pernambuco.

Em termos estritos, um fóton não é uma partícula e nem exatamente uma onda, ele é uma excitação de um campo eletromagnético.

E, como tal, a medição de sua forma promete ajudar a criar novas formas de criptografar informações.

Os pesquisadores desenvolveram uma técnica para refinar as medições de uma série de fótons individuais que estão em estados idênticos, mas arbitrários.

Isso expande também as possibilidades de usar os complicados "estados internos da luz" para transmitir dados.

Um pulso de luz tem uma grande gama de formatos possíveis, uma vez que sua forma é definida pelas amplitudes e fases de seus componentes de frequência.

Assim, é possível codificar informações no formato do fóton e transmiti-lo de um lugar para outro.

E a liberdade é tão grande que um único fóton pode não apenas representar qualquer letra do alfabeto, como até mesmo conter uma combinação quântica, uma superposição de várias letras.

O experimento agora realizado tem a ver com a leitura desse fóton, quando ele chega ao destino, o que é necessário para retirar dele a informação que ele carrega.

A técnica consiste em misturar o fóton a ser medido com um pulso de laser, permitindo que o fóton e o pulso interfiram mutuamente, reforçando ou cancelando um ao outro, dependendo do seu formato; quanto mais parecidos, maior é a probabilidade de detectar o formato preciso do fóton.

A equipe otimizou o método repetindo a mixagem várias vezes, com fótons idênticos, e redesenhando periodicamente o pulso de laser com base nas medições anteriores.

Finalmente, eles demonstraram que a técnica permite a recuperação de informações intencionalmente codificadas nos complexos estados de um fóton individual.

Fonte: Physical Review Letters

Nova forma de geração de raios X

Cientistas conseguiram pela primeira vez fazer uma espécie de alquimia das luzes.

© U. Colorado (pulso de raio X com o maior espectro de cores)

Tenio Popmintchev, liderando uma equipe dos EUA, Áustria e Espanha, descobriu como converter um raio de luz infravermelha em um feixe altamente coerente de raios X e em uma multiplicidade de outros comprimentos de onda.

Em vez dos enormes aceleradores atuais, o novo equipamento gera raios X de alta pureza em um equipamento portátil, gerando "harmônicos de luz" num cristal e numa câmara de gás sob alta pressão.

A técnica de manipulação das ondas de luz, chamada HHG (high-harmonic generation), alcança uma geração de harmônicos muito maior do que num instrumento musical.

Cada fóton de raio X foi produzido por mais de 5.000 fótons infravermelhos gerando uma enegia de 1,6 keV (kiloelétron-volt), é como tocar uma nota 5.000 oitavas acima!

Os elétrons são seletivamente excitados e relaxados pela luz infravermelha, que emerge do outro lado como um feixe de raios X de altíssima qualidade e precisão. Ou seja, a luz infravermelha faz os átomos emitirem raios X.

A técnica conseguiu produzir pulsos de raios X de 2,5 attossegundos de duração, na fronteira do menor tempo já medido pelo homem.

Isto representa uma nova forma de geração de raios X, uma tecnologia cada vez mais importante para o estudo de materiais em nível atômico, assim como para a análise de fenômenos que ocorrem em escala temporais muito curtas, como as reações químicas.

A técnica é muito versátil: ela pode gerar feixes de luz coerentes e altamente direcionais, similares a um laser, do ultravioleta aos raios X, e toda a faixa de frequência entre os dois. Ou seja, um verdadeiro arco-íris de alta energia.

"Esta é a fonte de luz coerente de maior banda espectral já produzida," afirmou Henry Kapteyn, membro da equipe. "Ela definitivamente abre possibilidades para estudarmos as mais curtas escalas de tempo e espaço relevantes para qualquer processo em nosso mundo natural".

O avanço agora obtido fundamenta-se em desenvolvimentos anteriores do grupo, quando eles desenvolveram um laser na faixa do ultravioleta extremo e um feixe de luz ultravioleta mais preciso do que um laser.

Fonte: Science

Efeito deixa átomo de ferro transparente

Cientistas conseguiram realizar um experimento pelo qual demonstraram que o núcleo atômico pode se tornar transparente.

© DESY (princípio da transparência induzida eletromagneticamente)

A novidade, do grupo liderado por Ralf Röhlsberger no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), em Hamburgo, na Alemanha, é considerada importante para o desenvolvimento de computadores quânticos, que poderão substituir os atuais com velocidades de processamento hoje impossíveis de serem atingidas.

A técnica, que utiliza o efeito da transparência induzida eletromagneticamente, permite com que materiais opacos possam se tornar transparentes para a luz em certos comprimentos de onda como o raio X. A técnica permite o controle da transmissão e da velocidade da luz e envolve interferência quântica.

O experimento consitui de duas finas camadas de ferro-57 no interior de uma cavidade óptica, um espaço formado por dois espelhos paralelos de platina, que forçam os raios X a ficar indo para a frente e para trás múltiplas vezes.

As duas camadas de átomos de ferro-57, cada uma com aproximadamente três nanômetros de espessura, são mantidas em uma posição muito precisa entre os dois espelhos de platina usando camadas de carbono, que é transparente para os raios X do comprimento de onda utilizado no experimento.

O sanduíche inteiro, medindo 50 nanômetros de espessura, recebe um feixe extremamente fino de raios X, disparado em um ângulo muito baixo. No interior da cavidade óptica a luz é refletida para frente e para trás várias vezes, gerando uma onda estacionária, uma ressonância.

O ferro se torna quase transparente para os raios-X quando o comprimento de onda da luz e a distância entre as duas camadas de ferro ficam em uma proporção precisa; uma camada de ferro deve estar exatamente no mínimo da ressonância de luz, e a outra exatamente no máximo.

Quando as camadas são deslocadas no interior da cavidade óptica o sistema torna-se imediatamente não transparente, o que permite o controle deste fenômeno, denominado efeito quântico óptico, causado pela interação dos átomos no interior das camadas de ferro.

Ao contrário do que ocorre nos átomos individuais, os átomos dentro de uma cavidade óptica absorvem e irradiam a luz em sincronia. Graças à geometria precisa deste experimento, suas oscilações cancelam-se mutuamente, o que faz com que o ferro se torne transparente.

A ilustração acima ajuda a entender o fenômeno, mostrando múltiplas imagens das duas camadas de ferro-57: a interação dos raios X com as duas camadas leva a um estado de superposição quântica do ferro e de suas imagens nos espelhos, que faz com que os átomos de ferro pareçam transparentes.

Em contraste com os experimentos anteriores com a transparência induzida eletromagneticamente, apenas alguns poucos fótons são necessários para gerar este efeito por intermédio dos raios X.

Pelo efeito da transparência induzida eletromagneticamente, com um laser intenso em uma determinada frequência é possível fazer com que um material não transparente se torne transparente para a luz de outra frequência. Esse efeito é promovido pela interação complexa da luz com a eletrosfera, onde estão os elétrons.

No laboratório de luz síncrotron do DESY, o grupo demonstrou que esse efeito também existe em raio X quando os raios são direcionados para o núcleo atômico do isótopo de ferro 57 (pelo método chamado de espectroscopia de Mössbauer), que compreende 2% do ferro que ocorre naturalmente no planeta.

“O resultado de alcançar a transparência no núcleo atômico é, em suma, o efeito da transparência induzida eletromagneticamente sobre o núcleo. Certamente que ainda há um longo caminho a percorrer até que o primeiro computador com luz quântica se torne realidade. Entretanto, com esse efeito fomos capazes de realizar uma classe completamente nova de experimentos de óptica quântica de alta sensibilidade”, disse Röhlsberger.

Segundo o cientista, a nova fonte de laser de raios X XFEL, que está sendo construída em Hamburgo, representa uma grande oportunidade de se conseguir controlar este método através dos raios X.

O grupo alemão também demonstrou outro paralelo do efeito da transparência induzida eletromagneticamente; onde a luz presa em uma cavidade óptica viaja a uma velocidade de apenas alguns metros por segundo. Normalmente a velocidade é a da luz, de cerca de 300 mil quilômetros por segundo.

Fonte: Nature

Criado primeiro laser de raios X atômico

Uma equipe alemã usou o mesmo laboratório que criou o laser de raios X para gerar o primeiro laser de raios X atômico, ou seja, emitido a partir do bombardeamento de átomos com raios X muito poderosos.

© SLAC (laser de raios X atômico)

A equipe do Grupo de Estudos Avançados do Instituto Max Planck usou o LCLS (Linac Coherent Light Source), uma fonte de raios X recém-inaugurada na Universidade de Stanford, nos Estados Unidos.

Os pulsos de raios X, cada um cerca de um bilhão de vezes mais intenso do que qualquer outro disponível anteriormente, arrancaram elétrons das camadas internas de átomos do gás nobre neônio, preso no interior de uma cápsula.

Quando outros elétrons saltam de suas camadas mais externas para preencher as lacunas, cerca de 1 átomo em cada 50 responde emitindo um fóton na faixa dos raios X, com um comprimento de onda extremamente curto.

Esses raios X secundários foram então "estimulados" na vizinhança de outros átomos de neon para que novos pulsos ultra-curtos de raios X fossem gerados. Isso criou um efeito em cascata que amplificou a luz de raios X secundária cerca de 200 milhões de vezes.

Como os pulsos assim emitidos são coerentes, a emissão forma um laser de raio X extremamente puro.

Esse novo tipo de laser pode ser aplicado para identificar os detalhes das reações químicas ou acompanhar moléculas biológicas em atividade.

Embora o laser de raios X anunciado anteriormente e o novo laser de raios X atômico sejam ambos lasers, eles emitem a luz de forma diferente e com características diferentes.

O LCLS arremessa elétrons de alta energia através de campos magnéticos alternados, gerando pulsos de raios X muito brilhantes e muito mais potentes.

Já o novo laser de raios X atômico, que havia sido previsto na teoria em 1967, tem apenas um oitavo do comprimento de onda e sua cor é muito mais pura.

Essas qualidades vão permitir que ele distinga detalhes ainda não conhecidos de reações químicas muito rápidas, como as da fotossíntese.

O laser de raio X atômico é o mais potente já feito até agora, capaz de esquentar a matéria até cerca de 2 milhões de graus Celsius, mais quente do que a coroa do Sol!

Fonte: Nature

Rumo a estrela artificial controlada

Usando 60 raios lasers de alta potência, combinados para atingir uma cápsula minúscula, físicos produziram um plasma com condições de densidade de energia extremas.

© LLNL (Omega Laser)

Essas condições incluem uma pressão de 100 bilhões de atmosferas, uma temperatura de 200 milhões Kelvin e uma densidade 20 vezes maior que a do ouro.

Antes desse super disparo de laser, essas condições só podiam ser encontradas no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter e Saturno, ou no interior das estrelas.

O experimento é um dos caminhos rumo à construção de uma "estrela artificial" controlada, onde a fusão nuclear poderá ser explorada para a geração sustentável de energia.

Muitos físicos acreditam que a fusão nuclear a laser seja a melhor saída para essa fonte de energia limpa.

O laboratório Omega Laser Facility, localizado na Universidade de Rochester, nos Estados Unidos, onde o recorde acaba de ser batido, é um dos que trabalham nesse sentido.

Os pesquisadores normalmente usam aceleradores para estudar as reações nucleares.

Neste laboratório, a equipe usou uma abordagem diferente, criando um plasma quente e denso, no qual elétrons são arrancados dos átomos para criar um plasma, o quarto estado da matéria.

O estado de plasma está presente nas estrelas, nos relâmpagos e até nas lâmpadas fluorescentes, na verdade 99% do Universo visível é composto de plasma.

Para obter esse plasma, todos os 60 feixes de laser do Laboratório Ômega foram dirigidos simultaneamente para a superfície de uma cápsula de vidro de um milímetro de diâmetro, cheia de isótopos pesados de hidrogênio - deutério e trítio.

© LLNL (laser sobre uma esfera de vidro com deutério e trítio)

Os feixes de laser geram um plasma em rápida expansão, de alta temperatura, na superfície da cápsula, fazendo-a implodir.

Esta implosão, por sua vez, cria um plasma extremamente quente (100 milhões Kelvin) de íons de deutério e trítio, e de elétrons, dentro da cápsula.

Uma pequena fração dos íons de deutério e trítio se fundem, um processo que gera um nêutron viajando a um sexto da velocidade da luz, com cerca de 14,1 milhões de elétron-volts de energia - em comparação, a combustão de uma substância química comum, como a madeira ou o carvão, gera cerca de 1 elétron-volt de energia.

Conforme esses nêutrons energizados escapam da cápsula que está implodindo, uma pequena fração colide com os íons de deutério e trítio.

A partir dessas colisões, bastante raras, e da correspondente transferência de energia dos nêutrons para os íons, os pesquisadores podem obter uma medição precisa do processo de fusão nuclear.

Fonte: Physical Review Letters

A pura luz do laser de raios X

Pesquisadores analisaram os primeiros resultados do LCLS (Linac Coherent Light Source), uma fonte de laser de raios X recém-inaugurada na Universidade de Stanford, nos Estados Unidos.

© SLAC (estação de espalhamento de raios X ressonante)

Na medida da coerência do laser, que é o grau em que as ondas de luz são sincronizadas, descobriu-se que o LCLS produz a mais coerente radiação de raios X já medida.

Com um feixe de tão alta qualidade, a máquina é capaz de determinar a estrutura atômica de materiais com um nível de precisão sem precedentes.

Isto será útil em campos tão diversos quanto a descoberta de novos medicamentos, a engenharia de materiais e até a arqueologia.

Desde a invenção do maser, em 1957 - o antecessor de micro-ondas do raio laser de luz visível - cientistas têm desenvolvido lasers com comprimentos de onda cada vez mais curtos, aplicando-os a uma crescente variedade de propósitos.

Mas fazer lasers com comprimentos de onda muito curtos é um desafio. Para que uma fonte de luz seja um laser, a maioria dos seus fótons deve ser coerente, e eles devem oscilar em sincronia.

Uma alta coerência significa que a luz vai difratar mais precisamente, o que, para um feixe de raios X, significa imagens mais nítidas da estrutura atômica que está sendo estudada.

Feixes de laser também têm vários modos de oscilação, assim como instrumentos de cordas e tambores, e o feixe ideal tem todos os seus fótons contribuindo para um único modo.

© SLAC (detector Linac Coherent Light Source)

Quando o LCLS começou a operar, a evidência para uma luz verdadeiramente laser foi a presença de pulsos de raios X brilhantes, monocromáticos e altamente focados.

No entanto, até agora, as estimativas da coerência da luz eram baseadas unicamente em simulações.

Agora, os cientistas mediram na prática um tempo de coerência de 0,55 femtossegundo, o que significa que o pulso tem efetivamente a mesma cor e intensidade durante esse intervalo de tempo, equivalente a uma distância de cerca de 150 nanômetros ao longo da direção do feixe.

Assim, uma amostra de 150 nanômetros de profundidade pode ser iluminada com luz coerente de uma única vez, gerando uma fotografia da amostra com um grande campo de visão, da largura de milhares de átomos.

Ter este nível de coerência significa que a maioria dos fótons está confinada a um único modo espacial.

Cerca de 78% dos fótons do laser de raios X estavam no modo dominante, em comparação com menos de 1% em uma fonte de luz síncrotron de raios X típica.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Physical Review Letters.
Fonte: SLAC National Accelerator Laboratory

Resfriamento luminoso

Um grupo internacional de pesquisadores, com participação brasileira, conseguiu pela primeira vez, utilizando um laser, resfriar um nano-objeto mecânico até o seu estado de mais baixa energia possível, a chamada energia de ponto zero.

© Nature (resfriamento a laser)

De acordo com os autores, ao empregar a luz para colocar um sistema mecânico sólido no estado de energia de ponto zero - e no qual ele se comporta de acordo com as leis da mecânica quântica - o estudo abre caminho para o desenvolvimento de detectores de massa e força extremamente sensíveis, além de abrir perspectivas para a realização de experimentos quânticos em sistemas macroscópicos.

O trabalho foi realizado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), dos Estados Unidos, em colaboração com uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria.

Um dos autores é o brasileiro Thiago Alegre, atualmente professor do Departamento de Física Aplicada da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Nos últimos três anos, Alegre esteve no Caltech como pós-doutorando, depois de concluir o doutorado na Unicamp, com bolsa da FAPESP.

Com o uso de um laser, o grupo resfriou a microcavidade de um nano-objeto até seu estado de energia de ponto zero. O feito só havia sido alcançado anteriormente em sistemas de armadilhas ópticas contendo poucos átomos.

"Usamos um recurso óptico, o laser, para resfriar um sistema mecânico sólido ao estado de mais baixa energia possível. Isso só havia sido feito com poucos átomos ou íons, mas conseguimos fazê-lo com um sistema composto por bilhões de átomos. O estudo abre caminho para realizar experimentos quânticos em sistemas macroscópicos, o que é um sonho dos cientistas há quase uma década", disse Alegre.

Para o experimento, os cientistas projetaram e fabricaram uma cavidade óptica nanométrica, composta de uma pequena viga feita de silício, na qual buracos da ordem de 200 nanômetros são cuidadosamente posicionados. A estrutura tem dimensões de cerca de 560 nanômetros de largura e 15 mícrons de comprimento. O mícron e o nanômetro são, respectivamente, a milionésima e a bilionésima parte do metro.

"Essa geometria forma uma cavidade óptica onde apenas uma frequência - ou cor - de um laser pode ser confinada. O sistema tem a capacidade de servir como oscilador mecânico, podendo também aprisionar fônons - as partículas associadas com oscilações mecânicas, assim como os fótons estão associados com as oscilações eletromagnéticas, ou luz", explicou.

Por confinar em um mesmo local fótons e fônons, a pequena estrutura intensifica a interação entre vibrações mecânicas e luz. "Trata-se de um sistema optomecânico. A luz que atravessa essa cavidade, carregando informação sobre a amplitude de oscilação do sistema, ou número de fônons, pode ser associada à temperatura desse modo de oscilação", disse Alegre.

Ao escolher cuidadosamente a frequência do laser de excitação, os pesquisadores conseguem extrair energia mecânica por meio da luz que sai da cavidade, resfriando o sistema, segundo o cientista. Com isso, criam uma interface eficiente entre um sistema óptico e um sistema mecânico onde a informação pode fluir de um para outro.

Estabelecer o "diálogo" entre o mundo mecânico e o mundo óptico tem desdobramentos científicos importantes, segundo Alegre. Em outro estudo também publicado na Nature, no início de 2011, o mesmo grupo demonstrou os efeitos do modo mecânico sobre a luz, interação que possibilita em tese a criação de memórias ópticas.

"Já no trabalho que acaba de ser publicado, demonstramos o efeito da parte óptica sobre a parte mecânica. Demonstrando a interação pelos dois lados, abrimos a possibilidade de conseguir um controle muito maior sobre ela", afirmou Alegre.

Um dos recursos utilizados por cientistas para estudar efeitos quânticos em escala macroscópica tem sido os experimentos que utilizam a condensação de Bose-Einstein - uma fase da matéria formada por átomos em temperaturas próximas do zero absoluto.

Mas, segundo Alegre, para se trabalhar dessa maneira, o primeiro passo é levar o sistema ao estado fundamental, isto é, baixar sua temperatura global até poucas dezenas de milikelvins.

"Para chegar ao estado fundamental é preciso trabalhar com as temperaturas próximas de zero kelvin, o que é bastante complexo e caro. No nosso experimento, não baixamos a temperatura global do sistema. Trabalhamos com uma temperatura de cerca de 20 kelvin. Em vez de baixar toda a temperatura do sistema, criamos um caminho óptico para que apenas o modo vibracional chegasse próximo de zero kelvin", explicou.

Segundo Alegre, os cientistas criaram um caminho de fuga para os fônons através da luz. "Aprisionada na cavidade óptica, a luz tenta mudar de cor toda vez que a cavidade se move, absorvendo energia mecânica do sistema, que é assim resfriado", disse.

Fonte: Nature e FAPESP

Energia solar sem células fotovoltaicas

Um dramático e surpreendente efeito magnético da luz pode gerar energia solar sem as tradicionais células solares fotovoltaicas.

© Science (ilustração do magnetismo da luz)

O cientista Stephen Rand, da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, e seus colegas descobriram que, na intensidade certa, quando a luz viaja através de um material que não conduz eletricidade, o campo de luz pode gerar efeitos magnéticos que são 100 milhões de vezes mais fortes do que o anteriormente esperado.

Nestas circunstâncias, os efeitos magnéticos da luz apresentam uma intensidade equivalente à de um forte efeito elétrico.

Isso pode permitir a construção de um novo tipo de célula solar sem semicondutores e sem absorção para produzir a separação de cargas. Nas células solares, a luz entra em um material, é absorvida e gera calor.

"Aqui, esperamos ter uma carga térmica muito baixa. Em vez de a luz ser absorvida, a energia é armazenada como um momento magnético. A magnetização intensa pode ser induzida por luz intensa e, em seguida, é possível fornecer uma fonte de energia capacitiva," explica o pesquisador.

O que torna isto possível é uma espécie de "retificação óptica" que nunca havia sido detectada, afirma William Fisher, coautor da pesquisa.

Na retificação óptica tradicional, o campo elétrico da luz provoca uma separação de cargas, distanciando as cargas positivas das negativas no interior de um material. Isto cria uma tensão elétrica, semelhante à de uma bateria.

Este efeito elétrico só havia sido detectado em materiais cristalinos, cuja estrutura atômica apresenta uma certa simetria.

Rand e Fisher descobriram que, sob certas circunstâncias, o campo magnético da luz também pode criar retificação óptica em outros tipos de material.

"Acontece que o campo magnético começa desviando os elétrons, forçando-os a assumir uma rota em formato de C, e fazendo-os avançar aos poucos. Esse movimento das cargas em formato de C gera tanto um dipolo elétrico quanto um dipolo magnético. Se pudermos configurar vários desses elementos em linha ao longo de uma fibra poderemos gerar uma tensão enorme; extraindo essa tensão, podemos usar a fibra como uma fonte de energia," disse Fisher.

Para isso, a luz deve ser dirigida através de um material que não conduz eletricidade, como o vidro. E ela deve ser focalizada a uma intensidade de 10 milhões de watts por centímetro quadrado.

A luz do Sol sozinha não é tão intensa, mas o cientista afirma que seu grupo está procurando materiais que trabalhem com intensidades mais baixas. Por outro lado, concentradores solares de alta eficiência já conseguem aumentar a concentração da luz em quase 2.000 vezes.

Num trabalho recente, os pesquisadores mostraram que uma luz incoerente como a luz solar é teoricamente quase tão eficiente em produzir a separação de cargas quanto a luz de um laser.

Esta nova técnica poderia tornar a energia solar mais barata. Eles preveem que, com materiais melhores, será possível alcançar uma eficiência de 10 por cento na conversão da energia solar em energia utilizável. Isso é praticamente equivalente à eficiência das células solares vendidas no comércio hoje, embora já existam células solares muito mais eficientes em escala de laboratório.

Fonte: Journal of Applied Physics

Criada fibra óptica com cristal semicondutor

Um grupo de cientistas dos Estados Unidos anunciou o desenvolvimento de uma nova classe de fibra óptica. Trata-se da primeira fibra com o interior feito com seleneto de zinco, um composto amarelo claro com propriedades semicondutoras.

© PSU (fibra óptica com cristal semicondutor)

A nova classe de fibra óptica que permite, segundo os autores, a manipulação mais eficiente da luz e poderá ser usada no desenvolvimento de tecnologias de laser mais versáteis para uso em medicina ou como sensores ambientais e químicos.

John Badding, da Universidade da Pensilvânia, coordenador da pesquisa, explicou que a tecnologia de fibra óptica tem sido limitada pela utilização de um núcleo vítreo.

"O vidro tem um arranjo desordenado de átomos. Já uma substância cristalina, como o seleneto de zinco, é altamente ordenada. Essa ordem permite a transmissão de luz com comprimentos de onda mais longos, especificamente na região do infravermelho médio," disse ele.

Ao contrário de vidro de sílica, que é tradicionalmente utilizado na construção de fibras ópticas, o seleneto de zinco é um composto semicondutor.

É conhecido há muito tempo que o seleneto de zinco é um composto útil, capaz de manipular a luz de uma forma que a sílica não consegue. O desafio foi colocar este composto em uma estrutura de fibra, algo que nunca havia sido realizado antes.

Usando uma técnica de deposição química sob alta pressão, desenvolvida por Justin Sparks, coautor da pesquisa, os cientistas depositaram núcleos de seleneto de zinco no interior de capilaridades do vidro, criando esta nova classe de fibras ópticas.

A nova fibra óptica demonstrou duas vantagens importantes. Primeiramente, os pesquisadores descobriram que a nova fibra é mais versátil não apenas no espectro visível, mas também no infravermelho, a radiação eletromagnética com comprimentos de onda acima da luz visível. A tecnologia atual de fibras ópticas é ineficiente na transmissão da luz infravermelha. A quebra dessa barreira abre caminho para o uso das fibras ópticas na construção de lasers infravermelhos, potencialmente encontrando usos na área médica, em cirurgias, por exemplo. Em segundo lugar, ela é mais eficiente na conversão de luz de uma cor para outra.

"Quando as fibras ópticas tradicionais são usadas em sinalização, exposições e em arte, nem sempre é possível obter as cores que você quer. O seleneto de zinco, por meio de um processo chamado de conversão de frequência não linear, tem maior capacidade de alterar as cores", disse Badding.

Os pesquisadores destacam ainda que a tecnologia poderá ser útil na fabricação de novos detectores de poluentes e de toxinas.

"Moléculas diferentes absorvem luz de diferentes comprimentos de onda. Por exemplo, a água absorve, ou pára, a luz com comprimento de onda de 2,6 micrômetros. Mas as moléculas de certos poluentes ou outras substâncias tóxicas podem absorver a luz de comprimentos de onda muito maiores. Se pudermos transportar luz de comprimentos de onda mais longos através da atmosfera, poderemos ver quais substâncias estão lá com muito mais clareza", disse Badding.

Fonte: Advanced Materials

O primeiro antilaser é construído

O laser é uma invenção de mais de 50 anos de idade usado em diversas tecnologias. Recentemente, foi construído o antilaser, o primeiro aparelho capaz de prender e anular feixes de laser.

© Universidade de Yale (ondas de luz no antilaser)

Um antilaser consome a luz que o atinge, produzindo escuridão e calor. Sua aplicação poderá ocorrer provavelmente na próxima geração de computadores ópticos, que serão alimentados por luz e elétrons.

Um laser amplifica a luz e funciona como "meio de ganho", criando um feixe de fótons idênticos, uma onda de luz coerente, na qual todos os fótons têm a mesma frequência e amplitude e todos estão em fase.

A luz original é injetada em uma cavidade contendo um gás, situada entre dois espelhos. Os fótons alteram o estado quântico dos elétrons do gás, liberando outros fótons idênticos.

Com todos esses fótons refletindo-se de um lado para o outro entre os dois espelhos, e chocando-se com mais elétrons, cada vez mais fótons são liberados, todos idênticos, até criar um feixe brilhante de luz que escapa da armadilha.

É assim que as coisas funcionam quando a seta do tempo aponta para o futuro, como usual.

O que A. Douglas Stone e seus colegas da Universidade de Yale fizeram agora foi colocar o relógio para funcionar ao reverso, pegando a luz de um laser e convertendo-a em calor.

Como inverter todo o processo seria complicado demais, os pesquisadores tiveram a ideia de disparar dois feixes de laser, um na direção do outro, de forma que os dois se cancelassem perfeitamente.

Os dois feixes de laser foram dirigidos para uma "cavidade" que é na verdade uma pastilha de silício, que funciona como "meio de perda".

O silício alinha as ondas de luz de tal forma que elas ficam presas, refletindo-se entre suas paredes indefinidamente, até serem absorvidas e se transformarem em calor.

O antilaser de laser é chamado de tempo reverso ou CPA (Coherent Perfect Absorber). Não exatamente perfeito. O laser reverso de silício absorveu 99,4% da luz infravermelha do laser original, emitida em um comprimento de onda de 998,5 nanômetros, transformando-a em calor. Mas a teoria diz é possível chegar em 99,999% de absorção.

O protótipo do antilaser também ainda não tem o tamanho ideal. Ele mede 1 centímetro de lado, embora os cálculos indiquem que o ideal seria uma pastilha de 6 micrômetros.

A equipe também espera conseguir ajustar o dispositivo para que ele seja capaz de absorver lasers que emitem luz na faixa visível do espectro, assim como nas faixas específicas do infravermelho utilizadas em comunicações por fibra óptica.

Segundo os cientistas, ele poderá ser usado, no futuro, em chaves ópticas, sensores e até em uma próxima geração de computadores, os chamados computadores ópticos.

Como os dados nos processadores ópticos serão transferidos por luz, poderá ser necessário recolher o dado óptico e enviá-lo para um processamento externo, fora do chip. O antilaser poderá fazer isto.

Outra possibilidade é na radiologia, onde o princípio do laser reverso poderá ser usado para dirigir a radiação eletromagnética com precisão para um ponto específico no interior dos tecidos humanos, apesar da opacidade desses tecidos.

Fonte: Science

O vácuo pode criar matéria e antimatéria

Um feixe de laser de alta intensidade e um acelerador de partículas de dois quilômetros de extensão,  sob as condições adequadas, pode criar algo do nada.

 © CERN (energia gerada na aniquilação entre matéria e antimatéria)

Um grupo formado por Igor Sokolov e seus colegas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, desenvolveu novas equações que descrevem como um feixe de elétrons de alta energia, combinado com um intenso pulso de laser, pode rasgar o vácuo, liberando seus componentes fundamentais de matéria e antimatéria, e desencadear uma cascata de eventos que gera pares adicionais detectáveis de partículas e antipartículas.

Não é a primeira vez que cientistas afirmam que um super laser pode criar matéria do nada. De um nada que não é exatamente ausência de tudo, mas uma mistura fervilhante de ondas e campos de todos os tipos, onde partículas virtuais surgem e desaparecem o tempo todo.

Agora é possível calcular como, a partir de um único elétron, podem ser produzidas várias centenas de partículas. Isso deve acontecer na natureza, perto de pulsares e estrelas de nêutrons.

"É melhor dizer, acompanhando o físico teórico Paul Dirac, que um vácuo, ou um nada, é a combinação de matéria e antimatéria - partículas e antipartículas. Sua densidade é tremenda, mas não podemos perceber nada delas porque seus efeitos observáveis anulam-se completamente," disse Sokolov.

Em condições normais, matéria e antimatéria destroem-se mutuamente assim que entram em contato uma com a outra, emitindo raios gama. Mas sob um forte campo eletromagnético, este aniquilamento, que tipicamente funciona como um ralo de escoamento, pode ser a fonte de novas partículas. Na percurso da aniquilação, surgem fótons gama, que podem produzir elétrons e pósitrons adicionais.

Um fóton gama é uma partícula de luz de alta energia. Um pósitron é um anti-elétron, com as mesmas propriedades do elétron, mas com carga positiva.

Os que os cientistas calculam é que os fótons de raios gama produzirão uma reação em cadeia que poderá gerar partículas de matéria e antimatéria detectáveis.

Em um experimento, um campo de laser forte o suficiente irá gerar mais partículas do que as injetadas por meio de um acelerador de partículas.

No momento, não existe nenhum laboratório que tenha todas as condições necessárias - um super laser e um acelerador de partículas - para testar a teoria.

A questão básica do que é o vácuo transcende além da ciência, pois está incorporada na percepção filosófica da existência da vida.

Fonte: Physical Review Letters

Raio laser simula radiação de buracos negros

Uma equipe de cientistas italianos disparou um feixe de laser em um pedaço de vidro para criar o que eles acreditam ser um análogo óptico da radiação de Hawking, que parece ser emitida pelos buracos negros. A seguir um aparato experimental para detectar a radiação de Hawking.

©  PRL (experimento para detectar a radiação de Hawking)

Embora a potência do experimento com o laser nem se compare com os densos buracos negros, as teorias matemáticas utilizadas para descrever os dois casos são semelhantes o suficiente para que a confirmação da radiação de Hawking induzida pelo laser permita reforçar a confiança em que os buracos negros de fato emitam a radiação de Hawking.

Em 1974, Stephen Hawking previu a emissão de uma radiação pelos buracos negros, que seria produzida pela geração espontânea de fótons na fronteira desses corpos enigmáticos. Mas os cálculos indicam que ela é tão fraca que muitos físicos acreditam ser virtualmente impossível detectá-la.

Desta forma, a única maneira de testar a teoria de Hawking é fazer experimentos de laboratório que possam servir como análogos da situação real, impossível de ser observada.

Outros pesquisadores já haviam usado lasers para simular a radiação de Hawking, mas encontraram dificuldades em isolá-la de outras formas de luz emitidas durante os experimentos.

Belgiorno Franco e seus colegas idealizaram seu experimento combinando um feixe de laser ajustável com um alvo de vidro grosso, o que lhes permitiu limitar a radiação de Hawking a determinados comprimentos de onda da luz infravermelha e capturá-la com uma câmera infravermelha muito sensível.

A radiação calculada pela teoria foi de fato emitida e capturada pela câmera infravermelha, o que pode tornar o experimento uma demonstração indireta da radiação de Hawking, reforçando as atuais teorias. A seguir o diagrama mostra cinco curvas do espectro gerado por um  pulso Gaussiano (linha preta) e energias Bessel em μJ (microjoules), indicando a contagem de fotoelétrons em função do comprimento de onda.

 

©  PRL (espectros de fotoelétrons x comprimento de onda)

A existência da radiação de Hawking também coloca um limite para a vida dos buracos negros: se eles emitem radiação, por maior que seja sua massa, ela poderá se exaurir, ainda que isso leve um tempo difícil de calcular, embora alguns cientistas afirmem que é possível imaginar um buraco negro eterno.

Fonte: Physical Review Letters

Um novo estado para partículas de luz

Físicos da Universidade de Bonn criaram um novo tipo de fonte de luz, um condensado de Bose-Einstein consistindo de fótons. Até recentemente, acreditava-se que reduzir partículas de luz a esse estado seria impossível. O método poderá ser útil para a criação de fontes de radiação semelhantes aos raios laser, mas na faixa de frequência dos raios X.

© Jan Klaers, Universidade de Bonn (ilustração de um superfóton)

O condensado de Bose-Einstein surge quando um conjunto de partículas é resfriado até o ponto em que todas assumem características idênticas, de forma que o grupo passa a se comportar como uma única "superpartícula".

O processo já havia sido realizado com sucesso em átomos e também era teoricamente possível de se executar com luz, mas as dificuldades técnicas para condensar partículas de luz eram enormes, já que os fótons simplesmente desaparecem quando a temperatura cai demais.

Os pesquisadores alemães usaram dois espelhos, entre os quais um raio de luz era mantido, refletindo-se de um lado para o outro. Entre os espelhos, foram dissolvidos pigmentos que absorviam e liberavam os fótons. A seguir a imagem mostra a distribuição espacial da radiação durante a formação do condensado de Bose-Einstein.

© Nature (distribuição espacial da radiação)

No processo, os fótons assumiram a temperatura do fluido. Eles se resfriaram até a temperatura ambiente, sem se perder no processo.

Os físicos então aumentaram a quantidade de fótons entre os espelhos, excitando os pigmentos com um laser. Isso permitiu que a luz resfriada se concentrasse de forma tão intensa que acabou gerando um "supérfóton".

Tecnologicamente, isso poderá ser útil para criadores de chips de computador, já que um laser com comprimento de onda muito baixo, como o dos raios X, poderia entalhar padrões extremamente detalhados e precisos no silício.

Fonte: Nature

Mistura de luz e matéria

Os físicos Bob Buckley e David Awschalom da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, conseguiram combinar a luz de um laser com os elétrons presos no interior de um cristal de diamante.

© Awschalom Group (mistura de luz e matéria)

Os pesquisadores exploraram a capacidade de combinar as coisas que são muito diferentes, que é uma característica incomum do mundo quântico.

Usando os elétrons presos dentro de um único defeito, do tamanho de um átomo, no interior de um cristal de diamante, combinados com luz de um laser de uma cor precisamente definida, os cientistas mostraram que é possível fazer uma mistura de luz e matéria.

Depois de formar essa mistura de matéria e luz, eles foram capazes de fazer medições da luz para determinar o estado quântico dos elétrons.

Mais do que uma curiosidade, o experimento demonstrou que é possível detectar e controlar o frágil estado quântico dos elétrons sem perder as informações.

Este é um passo importante para o uso da física quântica para expandir o poder da computação e da comunicação segura a longas distâncias.

Há alguns anos foi descoberto que esses defeitos do diamante, chamados vacância de nitrogênio, podem ser usados como qubits para computadores quânticos.

Esta pesquisa representa um passo importante nesse rumo por permitir a leitura dos qubits sem destruir a informação.

Ao examinar os elétrons separadamente é possível observar que a configuração eletrônica não foi destruída pela luz. Em vez disso, ela foi modificada, uma demonstração surpreendente de controle dos estados quânticos utilizando a luz.

A preservação dos estados quânticos é um grande obstáculo no campo emergente da computação quântica. Um dos benefícios de informação quântica é que ela nunca pode ser copiada sem deixar rastros, ao contrário das informações transferidas entre os computadores de hoje.

No futuro será o diamante o substituto do sílício?

Fonte: Science

Objetos movidos por 1,5 m apenas com luz

Cientistas desenvolveram método para mover apenas com o uso de luz partículas por distâncias nunca conseguidas anteriormente. Foi usado um raio laser especialmente criado para a pesquisa.

© ANU (raio laser movendo pequena partícula)

Equipe do Centro de Física a Laser, da Universidade Nacional da Austrália, conseguiu mover partículas extremamente pequenas por 1,5 m usando apenas a força do raio laser. O tamanho das microesferas variava entre 60 e 100 micrometros.

Por 40 anos, cientistas usaram radiação de luz para mover e manipular pequenos objetos. Até agora, os movimentos eram restritos a pequenas escalas, por não mais que milhares de micrometros - e a maioria em líquidos. Manipulação óptica de partículas por grandes distâncias podem ter várias aplicações, como permitir o transporte de contêineres com substâncias perigosas sem a necessidade de toque.

O laser não funciona no vácuo, então seu uso é de grande importância na Terra, como na montagem de micro máquinas e componentes eletrônicos.

Fonte: Phys.Org