A luz se comporta tanto como partícula quanto como onda. Desde os dias de Einstein, os cientistas têm tentado observar diretamente esses dois aspectos da luz ao mesmo tempo. Agora, os cientistas da EPFL conseguiram capturar o primeiro instantâneo desse comportamento duplo.
A mecânica quântica nos diz que a luz pode se comportar simultaneamente como uma partícula ou uma onda. No entanto, nunca houve um experimento capaz de capturar as duas naturezas de luz ao mesmo tempo; o mais próximo que chegamos é de ver uma onda ou partícula, mas sempre em momentos diferentes. Adotando uma abordagem experimental radicalmente diferente, os cientistas da EPFL conseguiram agora tirar o primeiro instantâneo da luz se comportando tanto como onda quanto como partícula. O trabalho inovador foi publicado na Nature Communications.
Quando a luz ultravioleta atinge uma superfície de metal, ela causa uma emissão de elétrons. Albert Einstein explicou esse efeito “fotoelétrico” ao propor que a luz – considerada apenas uma onda – também é um fluxo de partículas. Embora uma variedade de experimentos tenham observado com sucesso os comportamentos da luz em forma de partícula e onda, eles nunca foram capazes de observar os dois ao mesmo tempo.
Uma equipe de pesquisa liderada por Fabrizio Carbone, da EPFL, agora realizou um experimento com uma reviravolta inteligente: usar elétrons para criar imagens de luz. Os pesquisadores capturaram, pela primeira vez na história, um único instantâneo de luz se comportando simultaneamente como uma onda e um fluxo de partículas.
O experimento é montado assim: um pulso de luz laser é disparado contra um minúsculo nanofio metálico. O laser adiciona energia às partículas carregadas do nanofio, fazendo-as vibrar. A luz viaja ao longo desse minúsculo fio em duas direções possíveis, como carros em uma rodovia. Quando as ondas que viajam em direções opostas se encontram, elas formam uma nova onda que parece estar parada no lugar. Aqui, essa onda estacionária se torna a fonte de luz para o experimento, irradiando ao redor do nanofio.
É aí que entra o truque do experimento: os cientistas dispararam um fluxo de elétrons perto do nanofio, usando-os para criar imagens da onda estacionária de luz. Conforme os elétrons interagiam com a luz confinada no nanofio, eles aumentavam ou diminuíam a velocidade. Usando o microscópio ultrarrápido para obter a imagem da posição onde essa mudança na velocidade ocorreu, a equipe de Carbone pode agora visualizar a onda estacionária, que atua como uma impressão digital da natureza ondulatória da luz.
Embora esse fenômeno mostre a natureza ondulatória da luz, ele também demonstrou simultaneamente seu aspecto de partícula. Conforme os elétrons passam perto da onda estacionária de luz, eles “atingem” as partículas de luz, os fótons. Como mencionado acima, isso afeta sua velocidade, fazendo com que eles se movam mais rápido ou mais devagar. Essa mudança na velocidade aparece como uma troca de “pacotes” (quanta) de energia entre elétrons e fótons. A própria ocorrência desses pacotes de energia mostra que a luz no nanofio se comporta como uma partícula.
“Este experimento demonstra que, pela primeira vez, podemos filmar a mecânica quântica – e sua natureza paradoxal – diretamente”, diz Fabrizio Carbone. Além disso, a importância deste trabalho pioneiro pode se estender além da ciência fundamental e para tecnologias futuras. Como Carbone explica: “Ser capaz de criar imagens e controlar fenômenos quânticos em escala nanométrica como este abre um novo caminho para a computação quântica.”
Publicado em 26/12/2021 17h55
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