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Momento angular orbital da luz
Uma equipe de físicos e engenheiros da Alemanha, Finlândia e Índia confirmou experimentalmente que o momento angular da luz é conservado quando um único fóton é dividido, convertido em um par, validando pela primeira vez um princípio fundamental da física no nível quântico - a escala onde imperam as leis da mecânica quântica.
Essa demonstração experimental abre novas possibilidades para a criação de estados quânticos complexos, úteis em computação, comunicação e sensoriamento.
As leis de conservação de energia estão no cerne da nossa compreensão das ciências naturais, determinando quais processos são "permitidos ou proibidos". Um exemplo simples e intuitivo é o da colisão de duas bolas de bilhar, em que o movimento - e, com ele, seu momento linear - é transferido de uma bola para outra.
Mas existe uma regra de conservação semelhante para objetos em rotação, que possuem momento angular. Curiosamente, a luz também pode ter um momento angular, por exemplo, o momento angular orbital (MAO), que está ligado à estrutura espacial da luz e está envolvido em muitos avanços recentes no campo da fotônica, como torcer a luz, dar nós na luz, fazer a luz em forma de rosquinha - enfim, de esculpir a luz.
Quando descemos na escala, entrando no reino quântico, essas leis implicam que as partículas individuais de luz, os fótons, possuem quantidades bem definidos de MAO (momento angular orbital), que precisam ser conservados quando esses fótons interagem com elétrons, átomos e outras partículas. O que a equipe fez agora foi levar o teste dessas leis de conservação ao limite quântico absoluto, explorando se a conservação dos quanta de MAO se mantêm quando um único fóton é dividido em um par de fótons.
Um menos um é igual a zero
A regra de conservação determina, por exemplo, que, quando um fóton com MAO zero é dividido em dois fótons, os quanta de MAO de ambos os fótons devem somar zero. Portanto, se um dos fótons recém-gerados apresentar um quanta de MAO, seu fóton parceiro deverá ter o oposto, ou seja, quanta de MAO negativos. Ou, em outras palavras, a fórmula simples 1 + (-1) = 0 precisa ser válida.
Embora essas regras de conservação tenham sido testadas e utilizadas em uma infinidade de experimentos ópticos com laser, elas nunca haviam sido testadas para um único fóton. E isso por uma boa razão: os processos ópticos não lineares necessários são muito ineficientes, com apenas um bilionésimo dos fótons sendo convertidos em um par de fótons.
A equipe superou essa dificuldade com uma configuração óptica extremamente estável, baixo ruído de fundo, um esquema de detecção com a mais alta eficiência possível e muita paciência. Finalmente, eles conseguiram registrar conversões suficientes (um número significativo de fótons se dividindo) para que pudessem confirmar a lei fundamental da conservação.
"Nossos experimentos mostram que o MAO é de fato conservado mesmo quando o processo é conduzido por um único fóton. Isso confirma uma lei de conservação fundamental no nível mais fundamental, que se baseia, em última análise, na simetria do processo," disse a pesquisadora Lea Kopf.
Além de confirmar a conservação do momento angular orbital de um único fóton, a equipe observou os primeiros sinais de entrelaçamento quântico nos pares de fótons gerados, o que indica que a técnica poderá ser estendida para criar estados quânticos fotônicos mais complexos. "Este trabalho não é apenas de importância fundamental, mas também nos leva um passo significativo em direção à geração de novos estados quânticos, onde os fótons são entrelaçados de todas as maneiras possíveis, ou seja, no espaço, no tempo e na polarização," disse o professor Robert Fickler.
Artigo: Conservation of Angular Momentum on a Single-Photon Level
Autores: L. Kopf, R. Barros, S. Prabhakar, E. Giese, R. Fickler
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 134, 203601
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.203601
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso Astrofísica Geral no nível Georges Lemaître (EAD), concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Em outubro de 2014, ingressou no projeto S'Cool Ground Observation, que integra o Projeto CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) administrado pela NASA. Posteriormente, em setembro de 2016, passou a participar do The Globe Program / NASA Globe Cloud, um programa mundial de ciência e educação com foco no monitoramento do clima terrestre.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
Livraria> https://www.orionbook.com.br/
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