Cada tipo de átomo no universo tem uma impressão digital única: só absorve ou emite luz nas energias particulares que correspondem às órbitas permitidas dos seus elétrons. Essa impressão digital permite aos cientistas identificar um átomo onde quer que ele seja encontrado. Um átomo de hidrogênio no espaço exterior absorve a luz nas mesmas energias que um na Terra.
Embora os físicos tenham aprendido como os campos elétricos e magnéticos podem manipular esta impressão digital, o número de características que a compõem geralmente permanece constante. Em trabalho publicado em 3 de julho na revista Nature, pesquisadores da Universidade de Chicago desafiaram esse paradigma sacudindo elétrons com lasers para criar características de “doppelganger” em novas energias – um avanço que permite aos cientistas criar partículas híbridas que são parte-átomo e parte-luz, com uma ampla variedade de novos comportamentos.
A pesquisa é parte de um esforço maior no laboratório do Prof. Jonathan Simon para derrubar as paredes entre a matéria e a luz, a fim de investigar suas propriedades fundamentais. Além de aprender sobre como os materiais se comportam no nível quântico, este trabalho poderia um dia ajudar a criar computadores mais poderosos ou comunicações quânticas virtualmente “inutilizáveis”.
Um passo ao longo do caminho para transformar a matéria em luz é fazer com que pacotes individuais de luz, chamados fótons, interajam uns com os outros como a matéria faz. (Normalmente, os fótons se movimentam à velocidade da luz e não reagem uns aos outros.)
“Para que os fótons colidam uns com os outros, usamos átomos como um intermediário”, disse o pesquisador de pós-doutorado Logan Clark, que liderou a pesquisa. “Mas nos deparamos com um problema porque os fótons só interagem com átomos cujas órbitas eletrônicas possuem energias muito particulares”, acrescentou o pesquisador de pós-doutorado Logan Clark. “Então perguntamos: E se pudéssemos fazer cópias dos orbitais em qualquer energia que quiséssemos?”
LEIA TAMBÉM: Menor máquina de RM do mundo capturou campo magnético de átomo
Clark já havia desenvolvido técnicas para manipular a matéria quântica agitando-a – chamada de engenharia de Floquet – como parte de seu projeto de PhD. O tipo certo de agitação produz naturalmente cópias de estados quânticos em múltiplas energias ao longo do caminho. “Nós sempre vimos as cópias como um efeito colateral e não como um objetivo”, disse ele, “mas desta vez, nós sacudimos nossos elétrons com a intenção específica de fazer as cópias”.
Ao variar a intensidade de um campo laser sintonizado precisamente para uma ressonância atômica, a equipe foi capaz de mudar as órbitas de um elétron. Agitar as orbitais variando periodicamente essa intensidade produziu as cópias desejadas.
Mas esses doppelgangers vêm com uma captura importante: “Enquanto o orbital atômico aparece em múltiplas energias distintas, é importante notar que essas cópias estão realmente ligadas ao original como fantoches”, explicou o pesquisador pós-doutorado Nathan Schine, co-autor do estudo. “Quando qualquer uma das cópias muda, o original e todas as outras cópias mudam com ele”.
Ao permitir que os fótons interajam com esses átomos abalados, a equipe criou o que eles chamam de “Floquet polaritons” – quase-partículas que são parte-leve e parte-átomo, e ao contrário dos fótons regulares, interagem uns com os outros de forma bastante forte. Estas interações são essenciais para criar matéria a partir da luz. Fazer polaritons com átomos abalados pode dar às polaritons muito mais flexibilidade para se moverem e colidirem umas com as outras de novas maneiras.
“Os polaritons Floquet são cheios de surpresas; ainda estamos os entendendo melhor”, disse Clark. “Nossa próxima ordem de trabalhos, no entanto, será usar esses fótons colidindo para produzir ‘fluidos’ topológicos de luz. É um momento tremendamente empolgante”.
FONTE: Scientists combine light and matter to make particles with new behaviors [Chicago University]
