Metamateriais de índice zero oferecem novos insights sobre os fundamentos da mecânica quântica.
Na física, como na vida, é sempre bom olhar as coisas de diferentes perspectivas.
Desde o início da física quântica, como a luz se move e interage com a matéria ao seu redor tem sido descrita e compreendida matematicamente através da lente de sua energia. Max Planck usou a energia para explicar como a luz é emitida por objetos aquecidos em 1900, um estudo seminal na fundação da mecânica quântica. Albert Einstein usou energia quando introduziu o conceito de fóton em 1905.
Mas a luz tem outra qualidade igualmente importante conhecida como impulso. E, como se vê, quando você tira o impulso, a luz começa a se comportar de maneiras realmente interessantes.
Uma equipe internacional de físicos está reexaminando os fundamentos da física quântica da perspectiva do momento e explorando o que acontece quando o momento da luz é reduzido a zero. Os pesquisadores são liderados por Michaël Lobet, pesquisador associado da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) e Eric Mazur, professor de Física e Física Aplicada de Balkanski na SEAS,
A pesquisa foi publicada na revista Nature Light Science & Applications em 25 de abril de 2022.
Qualquer objeto com massa e velocidade tem momento – de átomos a balas e asteróides – e o momento pode ser transferido de um objeto para outro. Uma arma recua quando uma bala é disparada porque o momento da bala é transferido para a arma. Na escala microscópica, um átomo recua quando emite luz devido ao momento adquirido do fóton. O recuo atômico, descrito pela primeira vez por Einstein quando escrevia a teoria quântica da radiação, é um fenômeno fundamental que governa a emissão de luz.
Mas um século depois de Planck e Einstein, uma nova classe de metamateriais está levantando questões sobre esses fenômenos fundamentais. Esses metamateriais têm um índice de refração próximo de zero, o que significa que quando a luz passa por eles, ela não viaja como uma onda em fases de cristas e vales. Em vez disso, a onda se estende até o infinito, criando uma fase constante. Quando isso acontece, muitos dos processos típicos da mecânica quântica desaparecem, incluindo o recuo atômico.
Por quê? Tudo volta ao impulso. Nesses chamados materiais de índice próximo de zero, o momento da onda da luz se torna zero e quando o momento da onda é zero, coisas estranhas acontecem.
“Como físicos, é um sonho seguir os passos de gigantes como Einstein e levar suas ideias adiante. Esperamos poder fornecer uma nova ferramenta que os físicos possam usar e uma nova perspectiva, que possa nos ajudar a entender esses processos fundamentais e desenvolver novas aplicações”.
– Michaël Lobet, Pesquisador Associado, SEAS
“Os processos radiativos fundamentais são inibidos em materiais tridimensionais de índice próximo de zero”, diz Lobet, que atualmente é professor na Universidade de Namur, na Bélgica. “Percebemos que o recuo de momento de um átomo é proibido em materiais de índice próximo de zero e que nenhuma transferência de momento é permitida entre o campo eletromagnético e o átomo.”
Se quebrar uma das regras de Einstein não foi suficiente, os pesquisadores também quebraram talvez o experimento mais conhecido da física quântica ? o experimento de dupla fenda de Young. Esse experimento é usado em salas de aula em todo o mundo para demonstrar a dualidade partícula-onda na física quântica – mostrando que a luz pode exibir características de ondas e partículas.
Em um material típico, a luz que passa por duas fendas produz duas fontes coerentes de ondas que interferem para formar um ponto brilhante no centro da tela com um padrão de franjas claras e escuras em ambos os lados, conhecidas como franjas de difração.
“Quando modelamos e computamos numericamente o experimento de dupla fenda de Young, descobrimos que as franjas de difração desapareceram quando o índice de refração foi reduzido”, disse a coautora Larissa Vertchenko, da Universidade Técnica da Dinamarca.
“Como pode ser visto, este trabalho questiona as leis fundamentais da mecânica quântica e investiga os limites da dualidade onda-corpúsculo”, disse o coautor Iñigo Liberal, da Universidade Pública de Navarra, em Pamplona, Espanha.
Enquanto alguns processos fundamentais são inibidos em materiais com índice de refração próximo de zero, outros são aprimorados. Veja outro fenômeno quântico famoso – o princípio da incerteza de Heisenberg, mais precisamente conhecido na física como a desigualdade de Heisenberg. Este princípio afirma que você não pode conhecer a posição e a velocidade de uma partícula com precisão perfeita e quanto mais você sabe sobre uma, menos você sabe sobre a outra. Mas, em materiais de índice próximo de zero, você sabe com 100% de certeza que o momento de uma partícula é zero, o que significa que você não tem absolutamente nenhuma ideia de onde a partícula está em um determinado momento.
“Este material daria um microscópio muito ruim, mas permite ocultar objetos perfeitamente”, disse Lobet. “De alguma forma, os objetos se tornam invisíveis.”
“Esses novos resultados teóricos lançam uma nova luz sobre fotônica de índice de refração quase zero de uma perspectiva de momento”, disse Mazur. “Ele fornece insights sobre a compreensão das interações luz-matéria em sistemas com baixo índice de refração, o que pode ser útil para aplicações de laser e óptica quântica.”
A pesquisa também pode lançar luz sobre outras aplicações, incluindo computação quântica, fontes de luz que emitem um único fóton por vez, a propagação sem perdas da luz através de um guia de ondas e muito mais.
A equipe pretende revisitar outros experimentos quânticos fundamentais nesses materiais a partir de uma perspectiva de momento. Afinal, embora Einstein não tenha previsto materiais com índice de refração próximo de zero, ele enfatizou a importância do momento. Em seu artigo seminal de 1916 sobre processos radiativos fundamentais, Einstein insistiu que, do ponto de vista teórico, energia e momento “devem ser considerados em pé de igualdade, já que energia e momento estão ligados da maneira mais próxima possível”.
“Como físicos, é um sonho seguir os passos de gigantes como Einstein e levar suas ideias adiante”, disse Lobet. “Esperamos poder fornecer uma nova ferramenta que os físicos possam usar e uma nova perspectiva, que possa nos ajudar a entender esses processos fundamentais e desenvolver novas aplicações.”
Publicado em 07/05/2022 20h10
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