A primeira 'fotografia' já tirada da luz como partícula e onda
 

FísicaA primeira ‘fotografia’ já tirada da luz como partícula e onda

Cientistas conseguiram capturar o primeiro instantâneo da luz se comportando tanto como uma onda quanto como uma partícula.
Redação3 semanas atrás7 minLuz mostrando simultaneamente a interferência espacial e a quantização de energia © Fabrizio Carbone / EPFL

A luz se comporta como uma partícula e como uma onda. Desde os dias de Einstein, os cientistas têm tentado observar diretamente ambos os 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 ver onda ou partícula, mas sempre em momentos diferentes.

Tomando uma abordagem experimental radicalmente diferente, os cientistas da EPFL conseguiram capturar o primeiro instantâneo da luz se comportando tanto como uma onda quanto como uma partícula. O trabalho inovador foi publicado na Nature Communications.

Quando a luz UV atinge uma superfície de metal, causa uma emissão de elétrons. Albert Einstein explicou esse efeito “fotoelétrico” propondo que a luz — pensada apenas como uma onda — também é um fluxo de partículas. Mesmo que uma variedade de experimentos tenha observado com sucesso tanto os comportamentos de onda quanto os de luz, eles nunca foram capazes de observar ambos ao mesmo tempo.

Luz mostrando simultaneamente a interferência espacial e a quantização de energia © Fabrizio Carbone / EPFL

Uma equipe de pesquisa liderada por Fabrizio Carbone, da EPFL, realizou um experimento com uma torção inteligente: usou elétrons para fotografar a luz. Os pesquisadores capturaram, pela primeira vez, um único instantâneo de luz se comportando simultaneamente como uma onda e um fluxo de partículas.

O experimento foi montado assim: um pulso de luz laser é disparado contra um minúsculo nanofio metálico. O laser adiciona energia às partículas carregadas no nanofio, fazendo com que elas vibrem. A luz viaja ao longo deste fio minúsculo 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 no lugar. Aqui, esta onda estacionária torna-se a fonte de luz para o experimento, irradiando em torno do nanofio.

É aí que entra o truque do experimento: os cientistas lançaram uma corrente de elétrons perto do nanofio, usando-os para visualizar a onda estacionária de luz.

Enquanto os elétrons interagiam com a luz confinada no nanofio, eles aceleravam ou diminuíam a velocidade. Usando o microscópio ultrarrápido para visualizar a posição em que essa mudança de velocidade ocorreu, a equipe de Carbone agora podia visualizar a onda estacionária, que funciona como uma impressão digital da natureza ondulatória da luz.

Embora esse fenômeno mostre a natureza ondulatória da luz, ele também demonstrou seu aspecto de partículas simultaneamente. Quando os elétrons passam perto da onda estacionária de luz, eles “atingem” as partículas da 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” de energia (quanta) 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 desse trabalho pioneiro pode ir além da ciência fundamental e das futuras tecnologias. Como Carbone explica: “Ser capaz de visualizar e controlar fenômenos quânticos em escala nanométrica abre um novo caminho para a computação quântica”. [Phys]


“Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field.” Nature Communications 02 March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7407

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