A luz se comporta como uma partícula e como uma onda. Desde os dias de Einstein, os cientistas tentam observar diretamente esses dois aspectos da luz ao mesmo tempo. Agora, os cientistas da EPFL conseguiram capturar o primeiro instantâneo deste 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. Adotando uma abordagem experimental radicalmente diferente, os cientistas da EPFL foram capazes de tirar o primeiro instantâneo de luz que se comporta como uma onda e como uma partícula. O trabalho inovador é publicado na Nature Communications.

Quando a luz UV atinge uma superfície metálica, causa uma emissão de elétrons. Albert Einstein explicou esse efeito “fotoelétrico”, propondo que a luz – pensada para ser apenas uma onda – também é um fluxo de partículas. Mesmo que uma variedade de experimentos tenha observado com sucesso os comportamentos de luz semelhantes a partículas e ondas, eles nunca foram capazes de observar os dois ao mesmo tempo.

Uma equipe de pesquisa liderada por Fabrizio Carbone na EPFL realizou agora um experimento com uma reviravolta inteligente: o uso de elétrons na imagem da luz. Os pesquisadores capturaram, pela primeira vez, um único instantâneo de luz se comportando simultaneamente como onda e fluxo de partículas.

O experimento é montado assim: um pulso de luz laser é disparado contra um minúsculo fio metálico. O laser adiciona energia às partículas carregadas no nanofio, fazendo com que elas vibrem. A luz viaja por esse pequeno fio 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, essa onda estacionária se torna a fonte de luz para o experimento, irradiando ao redor do nanofio.

É aí que entra o truque do experimento: os cientistas dispararam um fluxo de elétrons perto do nanofio, usando-os para imaginar a onda estacionária de luz. À medida que os elétrons interagiam com a luz confinada no nanofio, eles aceleravam ou desaceleravam. Usando o microscópio ultra-rápido para visualizar a posição em que essa mudança de velocidade ocorreu, a equipe de Carbone agora podia visualizar a onda estacionária, que atua como uma impressão digital da natureza das ondas da luz.

Embora esse fenômeno mostre a natureza ondulatória da luz, ele demonstrou simultaneamente seu aspecto de partícula. Quando os elétrons passam perto da onda estacionária de luz, eles “atingem” as partículas da luz, os fótons. Como mencionado acima, isso afeta a velocidade deles, tornando-os mais rápidos ou mais lentos. Essa mudança de 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 se estender além da ciência fundamental e das tecnologias futuras. Como Carbone explica: “Ser capaz de imaginar e controlar fenômenos quânticos em escala nanométrica como essa abre uma nova rota para a computação quântica”.

Achou útil essa informação? Compartilhe com seus amigos! 🙂

Deixe-nos a sua opinião aqui nos comentários.