CIENTISTAS NORTE-AMERICANOS ANUNCIAM QUE UM PULSO DE LUZ PODE SER FACILMENTE
PARADO, ESTUDADO E ATÉ CONVERTIDO NOVAMENTE A PULSO DE LUZ COM AS MESMAS
PROPRIEDADES DO ORIGINAL.
FINALMENTE A LUZ FOI PARADA! Pela primeira vez físicos de dois laboratórios conseguiram, de modo eficaz, fazer um pulso de luz parar. Durante o processo os físicos primeiro realizaram a conversão (não destrutiva e reversível) da informação que a luz carrega para uma forma atômica equivalente.
Emitindo um pulso de luz no vapor de rubidio (Rb) especialmente preparado, um grupo conduzido por Ron Walsworth (617-495-7274) e Mikhail Lukin (617-496-7611) do centro “Harvard-Smithsonian de Astrofísica”, conseguiu:
retardar “a velocidade grupo” do pulso a zero
armazenar sua informação numa forma de “onda atômica rotativa,” uma excitação coletiva nos átomos de Rubídio. (uma onda rotativa pode ser visualizada como um padrão coletivo na orientação dos átomos, que giram e passam a agir como pequenos ímãs.”Rotativo” é apenas o nome do minúsculo vetor magnético em cada um dos átomos).
A “onda atômica rotativa” é durável e equivalente `a luz, o que permite aos pesquisadores armazenar a informação do pulso de luz e convertê-la novamente a um pulso de luz com as mesmas propriedades do pulso original. Esta nova realização num simples sistema, torna palpável a promessa de uma “comunicação de quantum”, que possa, algum dia, ser usada para conectar potenciais computadores quânticos, (ultra rápidos) em uma grande rede semelhante à Internet.
Geralmente os fótons (os quanta* da luz) são absorvidos pelos átomos, destruindo a informação levada pela luz. Com o método atual em princípio nenhuma informação do pulso de luz é perdida. Os esforços precedentes em retardar a luz (como Hau et al., Nature, 18 February 1999) conseguiram reduzir a velocidade do sinal a cerca de 1 milha por hora, usando um processo chamado “transparência eletromagnética induzida” (EIT; veja atualizações 37, 344 e artigo de Stephen Harris em Phisics Today de julho de 1997). Walsworth, Lukin e colegas, chegaram ao final do raciocínio com a velocidade zero do pulso de luz, usando uma técnica teórica proposta recentemente. (Lukin, Yelin and Fleischhauer, Phys. Rev. Lett. 1 May 2000; Fleischhauer and Lukin, Phys. Rev. Lett. 29 May 2000).
A experiência do armazenamento da luz começa com os cientistas do “Harvard-Smithsonian” usando um “controle” de feixe de laser em uma célula de vidro cheia com o vapor de rubidio (a cerca de 70-90 graus Célsius), que coloca os átomos num estado convencional de EIT em que não podem absorver a luz no sentido tradicional. Os cientistas emitem então um sinal (pulso de luz) que contém a informação que querem armazenar.
Quando o pulso entra na célula de rubidio, sua velocidade de propagação é reduzida a aproximadamente 2.000 mph. Desde que a frente do pulso do sinal adentra a célula (e é então desacelerado) primeiramente, o pulso passa por uma drástica compressão de tamanho: de muitos quilômetros no espaço livre, a alguns centímetros dentro do vapor do rubidio. A luz na célula do vapor interage com os átomos (veja a figura em http://www.aip.org/), mudando os estados da rotação dos átomos de forma equivalente e criando um sistema comum de átomo-photon conhecido por “polariton”. (para agradáveis descrições de polaritons veja “Phys Rev Focus, 26 April 2000”: http://focus.aps.org/v5/st19.html)
A interação da luz com o átomo faz com que os polaritons ajam como se tivessem uma massa real. Assim, uma maneira de compreender a velocidade reduzida do pulso de luz é que a mistura com átomos, na forma de polariton, acrescenta peso nos fótons que de outra forma não tem massa.
Em seguida, os cientistas do Harvard-Smithsonian, param o pulso de luz desligando gradualmente o controle do feixe, o que faz com que mais átomos sejam misturados com poucos fótons, aumentando desse modo a massa do polariton e promovendo a redução da velocidade do pulso. Quando o controle do feixe está completamente desligado, o polariton é puramente atômico e o pulso de luz está absolutamente parado. Nenhum pulso de sinal emerge da célula de vidro durante o período de armazenamento.
Neste ponto não há nenhum fóton restante na célula. A luz não aquece os átomos, acontece normalmente. Ao invés disso, os photons são expandidos na criação da “onda atômica rotativa”. Assim, a informação que o pulso de luz carrega (tudo que se pode saber sobre photons) é armazenada na onda atômica rotativa, esperando ser convertida em um pulso de luz que, a princípio, é idêntico ao pulso incidente.
Uma maneira alternativa de compreender o “retardar” a luz, é pensar no pulso do sinal como uma onda feita de muitos componentes diferentes, cada uma com uma freqüência diferente. Os átomos de Rb dobram-se ou “refratam” os componentes individuais da luz em quantidades diferentes dependendo da freqüência de cada componente.
Dependendo do índice (de freqüencia) de refração da célula de vapor, pode haver o agrupameno das ondas componentes de tal forma que a velocidade do grupo, (a velocidade do pulso composto), retarde consideravelmente.
O estreitamento do feixe, torna mais agudo o indíce de refração do vapor, (dependendo da freqüência) e este serve para reduzir ainda mais a velocidade do grupo. Esse estreitamento torna os átomos transparentes a uma escala menor de freqüências.
Mas simultaneamente, a onda de luz (ou mais precisamente, a combinação da onda de luz com a “onda atômica rotativa”) está continuamente diminuindo, mantendo sua forma mas estreitando sua escala de freqüências de modo que os átomos ainda não são capazes de absorver essa onda. Depois de um atraso relativamente longo, o controle do feixe pode ser revertido, induzindo os átomos a emitir o exato pulso de luz que adentrou o meio, e transformando o polariton, uma onda de luz.
Em resumo:
o comprimento de um pulso de luz é comprimido de quilômetros a centímetros em um vapor apropriado de rubidio
a informação levada pelo pulso de luz é impressa sobre o agrupamento de átomos de rubidio em forma de ondas de rotação duráveis;
e o pulso de luz pode ser revertido mais tarde ao formato original. Este novo método de armazenamento da luz é importante porque a informação é mantida em vetores atômicos coletivos, que são muito menos sensíveis à dissipação, perdas, e problemas em computadores quânticos, do que as formas de excitação eletrônica dos átomos.
Os cientistas acreditam que o método de armazenamento da luz é bastante simples e que a facilidade de sua execução é uma grande vantagem. Especulam até mesmo que a técnica possa ser utilizada em determinados materiais em estado sólido. A demonstração da experiência feita pelo “Harvard-Smithsonian”, está se espalhando entre os cientistas preocupados em preservar a equivalência na transferência de informações pelo quantum.
Com um pouco mais de estudo, a técnica deve permitir o armazenamento e a transmissão de estados “fotónicos” do quantum, úteis para a comunicação e computação quantica. (Phillips et al., Physical Review Letters, 29 January 2001.)
Walsworth e Lukin dizem que um resultado muito similar foi obtido recentemente pelo grupo de Lene Hau (Instituto de Harvard/Rowland de Ciências) em um gás atômico ultra-frio. Além disso, um estudo teórico que sairá em breve (Kocharavskaya et al., Phys Rev. Lett., 22 January) discute uma nova técnica para fazer um feixe de luz não somente parar mas reverter sua direção; este efeito poderia ser útil para aplicações não-lineares de sistema ótico.
*Quanta:
Quantidades elementares nas quais, segundo a teoria do físico alemão Max Planck (1858-1947), devem ser divididas certas grandezas tradicionalmente dadas como contínuas, tais como a luz e o tempo. O singular, gramaticalmentecorreto, é quantum.
PHYSICS NEWS UPDATE
The American Institute of Physics Bulletin of Physics News
Number 521 January 18, 2001 by Phillip F. Schewe, James
Riordon, and Ben Stein
Fábio Fraccarolli é artista plástico e restaurador digital nos Estudios Mega em São Paulo. [email protected]
