Físicos dos EUA criaram uma maneira de fazer com que os fótons se repelam enviando-os através de um gás atômico ultracold. Esse feito surpreendente pode levar à criação de “cristais de fótons” e estados quânticos exóticos, como um isolador de Mott.
Os fótons têm massa zero de repouso e carga zero e, quando passam um ao outro na velocidade da luz, mal sentem os efeitos um do outro. Os físicos, no entanto, criaram vários meios para amplificar essa pequena interação fóton-fóton.
Em 2013, uma equipe liderada por Vladan VuletiČ, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e Mikhail Lukin, da Universidade de Harvard, criou uma interação atraente disparando fótons em um gás atômico ultracold, colocando alguns átomos em um “estado de Rydberg” energético. Enquanto viajavam através do gás, os fótons tendiam a se unir mais frequentemente do que teriam se o gás não estivesse lá.
Quasipartículas de movimento lento
“Classicamente falando, o fóton entra, é absorvido por um átomo e o impulsiona ao estado de Rydberg”, explica VuletiČ. “Depois de um tempo, o fóton é liberado e absorvido por outro átomo, que permanece no estado de Rydberg por um tempo e assim por diante. Quantum mecanicamente, o gás está em um estado de superposição de todas essas possibilidades.” Esses acoplamentos fóton-átomo podem ser descritos como quasipartículas de movimento lento, chamadas polaritons, que interagem muito mais fortemente que os fótons.
Usar esta técnica para criar interações repulsivas, no entanto, é mais complicado. Os polaritons interagem alterando o índice de refração local do meio. Para mudar essa interação de atraente para repulsiva, são necessários polaritons que deslocam o índice de refração local na direção oposta. Embora isso possa ser alcançado alterando a forma como a luz incidente é desafinada, essa mudança também fornece massa efetiva negativa aos polaritons. “Para um sinal de desafinação, as partículas se atraem”, explica VuletiČ: “Do outro lado da desafinação, você muda a interação e o termo de massa – e as partículas ainda se atraem.”
Em 2014, o grupo de Lukin se uniu ao físico teórico Hans-Peter Buchler da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, para desenvolver uma descrição matemática dos polaritons de luz lenta. Sob certas condições específicas, a equipe propôs que interações repulsivas entre os polaritons deveriam dominar. Infelizmente, quando os grupos de Lukin e VuletiČ tentaram perceber essas condições, eles acharam impossível: “Não achamos que essa proposta estivesse errada”, diz Vuleti?, “simplesmente não era prático em nosso sistema e exigia laser muito, muito alto. poder que não fomos capazes de alcançar.”
Dois estados atômicos
Depois de explorar várias possibilidades, os dois grupos criaram e demonstraram um esquema alternativo bem-sucedido no qual os fótons são acoplados simultaneamente a dois estados atômicos no mesmo átomo. “Acoplar os fótons à matéria não apenas uma vez, mas duas vezes, nos dá outro parâmetro livre, onde fomos capazes de alterar a massa das partículas independentemente do índice de refração”, explica VuletiČ. Usando isso, os pesquisadores mostraram que, ajustando o comprimento de onda da luz incidente, eles poderiam alterar se os fótons que saíam do gás tinham mais ou menos probabilidade de fazê-lo juntos do que seria esperado por acaso. Isso mostrou que eles podiam controlar se os polaritons no gás se atraíam ou se repeliam. Os pesquisadores continuaram demonstrando repulsa de três corpos entre polaritons, que correspondiam às suas previsões teóricas.
Agora, os pesquisadores estão explorando várias extensões possíveis do trabalho: “Se você se repele a curtas distâncias e atrai a longas distâncias, criaria uma estrutura molecular”, explica a estudante de Lukin, Aditya Venkatramani, que junto com o aluno de VuletiČ, Sergio Cantu, estavam juntos primeiros autores de um artigo na Nature Physics que descreve o trabalho.
Isso poderia criar “ordem cristalina” nas estruturas de fótons, potencialmente abrindo experimentos impossíveis na matéria tradicional. “Se você tem um átomo interagindo, ele sempre tem a mesma massa, independentemente de como viaja”, explica Cantu, “mas aqui você pode ter uma massa de um sinal e magnitude em uma direção e outro sinal e magnitude em outra direção. É possível alterar muitos parâmetros que, em geral, são apenas dados pelo seu material”.
“É muito legal”, diz Mohammed Hafezi, da Universidade de Maryland, College Park. Ele suspeita que o trabalho abrirá muitas portas na física de muitos corpos dos fótons que até então estavam fechadas pelo fato de que todas as atrações entre os polaritons eram atraentes. Ele está empolgado, por exemplo, com o potencial de produzir um estado quântico exótico chamado isolador Mott com fótons: “Você precisa de interações repulsivas para ter um congestionamento de fótons”, explica ele, “Eles agora alcançaram uma ligação repulsiva, e se conseguirem ter um número finito de modos e preenchê-los, devem obter um isolador Mott.”
Publicado em 08/06/2020 18h52
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