Tudo irradia. Quer se trate de uma porta de carro, um par de sapatos ou a capa de um livro, qualquer coisa mais quente que o zero absoluto (ou seja, praticamente tudo) está constantemente derramando radiação na forma de fótons, as partículas quânticas de luz.
Um processo duplo – a absorção – geralmente também está presente. À medida que os fótons carregam energia, os transeuntes do ambiente podem ser absorvidos para reabastecê-la. Quando a absorção e a emissão ocorrem na mesma velocidade, os cientistas dizem que um objeto está em equilíbrio com seu ambiente. Isso geralmente significa que o objeto e o ambiente compartilham a mesma temperatura.
Longe do equilíbrio, novos comportamentos podem surgir. Em um artigo publicado em 1 de agosto de 2019 como uma sugestão dos editores na revista Physical Review Letters, cientistas da JQI e da Universidade Estadual de Michigan sugerem que certos materiais podem experimentar uma força de torção espontânea se forem mais quentes do que o ambiente.
“O fato de que um material pode sentir um torque devido a uma diferença de temperatura com o meio ambiente é muito incomum”, diz o principal autor Mohammad Maghrebi, ex-pesquisador de pós-doutorado do JQI que agora é professor assistente na Michigan State University.
O efeito, que ainda não foi observado em um experimento, está previsto para surgir em uma fina fita de um material chamado isolante topológico (TI) – algo que permite que a corrente elétrica flua em sua superfície, mas não através de suas entranhas.
Neste caso, os pesquisadores fizeram duas suposições adicionais sobre o TI. Uma é que é mais quente que seu ambiente. E outra é que o TI possui algumas impurezas magnéticas que afetam o comportamento dos elétrons em sua superfície.
Essas impurezas magnéticas interagem com uma propriedade quântica dos elétrons chamada spin. O spin faz parte do caráter básico de um elétron, muito parecido com a carga elétrica, e descreve o momento angular intrínseco da partícula – a tendência de um objeto continuar girando. Os fótons também podem carregar o momento angular.
Embora os elétrons não girem fisicamente, eles ainda podem ganhar e perder o momento angular, embora apenas em pedaços discretos. Cada elétron tem dois valores de spin – para cima e para baixo – e as impurezas magnéticas garantem que um valor fique em uma energia maior que a outra. Na presença dessas impurezas, os elétrons podem inverter seu spin de cima para baixo e vice-versa emitindo ou absorvendo um fóton que carrega a quantidade certa de energia e momento angular.
Maghrebi e dois colegas, JQI Fellows Jay Deep Sau e Alexey Gorshkov, mostraram que a radiação que emana deste tipo de TI carrega momento angular inclinado em uma direção de rotação, como um saca-rolhas que gira no sentido horário. O material é deixado com um déficit de momento angular, fazendo com que ele sinta um torque na direção oposta (neste exemplo, no sentido anti-horário).
Os autores dizem que as TIs são ideais para detectar esse efeito, porque elas hospedam o tipo certo de interação entre elétrons e luz. As TIs já ligam o spin do elétron ao momento de seu movimento, e é através desse movimento que os elétrons do material absorvem e emitem luz.
Se um elétron na superfície desse tipo particular de TI começar com o giro voltado para cima, ele poderá liberar energia e momento angular alterando seu spin de cima para baixo e emitindo um fóton. Como o TI é mais quente do que o seu ambiente, os elétrons mudam de cima para baixo com mais frequência do que o inverso. Isso porque o ambiente tem uma temperatura mais baixa e falta energia para substituir a radiação proveniente do TI. O resultado deste desequilíbrio é um torque na amostra TI fina, impulsionado pela emissão aleatória de radiação.
Experimentos futuros podem observar o efeito de duas maneiras, dizem os autores. O método mais provável é indireto, exigindo que os experimentadores aqueçam uma TI passando uma corrente através dela e recolhendo a luz emitida. Ao medir o momento angular médio da radiação, um experimento pode detectar a assimetria e confirmar uma consequência da nova previsão.
Uma observação mais direta – e provavelmente mais difícil – envolveria, na verdade, medir o torque no filme fino procurando pequenas rotações. Maghrebi diz que ele trouxe a ideia para vários experimentalistas. “Eles não ficaram horrorizados por ter que medir algo como um torque, mas, ao mesmo tempo, acho que realmente depende da configuração”, diz ele. “Certamente não parecia impossível.”
Publicado em 06/08/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-08-corkscrew-photons-spontaneous.html
Gostou? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: