23 fevereiro 2010

Superando a velocidade da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/02/2010

Um fóton individual viaja através de camadas alternadas de materiais com diferentes índices de refração mais lentamente (acima) ou mais rapidamente (embaixo) dependendo da ordem das camadas.

Os fótons são as partículas/onda fundamentais da luz. Assim, seria de se imaginar que a velocidade da luz nada mais seja do que a velocidade dos próprios fótons que a formam.

Mas não conte muito com o óbvio quando entrar pelo reino da física quântica e, sobretudo, esteja preparado para uma esquisitice após a outra - para acelerar os fótons a

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uma velocidade aparentemente superior à da luz, os pesquisadores colocaram uma camada de matéria à sua frente.

Acelerando a luz

A física quântica teórica prevê que o tempo que a luz leva para viajar através de materiais formados por múltiplas camadas diferentes não depende da espessura do material, como acontece com o vidro, por exemplo, mas da ordem na qual as camadas se sobrepõem para formar o material.

Agora, pesquisadores do Joint Quantum Institute, um grupo virtual de pesquisas dos Estados Unidos, fizeram um experimento que comprova esta teoria.

Eles aceleraram os fótons que atravessavam seu material-sanduíche a velocidades aparentemente superiores às da luz simplesmente adicionando uma camada de matéria estrategicamente colocada para permitir que o fenômeno ocorra.

Ou reflete ou passa

A luz atinge sua velocidade máxima no vácuo, ou no espaço vazio - seu velocímetro atinge exatos 299.792.458 metros por segundo, normalmente arredondados para 300.000 km/s.

Mas essa velocidade diminui sensivelmente quando a luz viaja através de uma substância material, como o vidro ou a água. O mesmo é verdade para a luz que atravessa uma pilha de materiais dielétricos, materiais eletricamente isolantes e que são usados para criar estruturas altamente reflexivas, como os revestimentos de uma fibra óptica ou os espelhos de um laser.

Os pesquisadores criaram pilhas de 30 camadas isolantes, cada uma com 80 nanômetros de espessura, o equivalente a cerca de um quarto do comprimento de onda da luz que as atravessaria.

As camadas alternam materiais com índices de refração altos e baixos, o que força as ondas de luz a se dobrarem ou se refletirem em intensidades variáveis. Quando um único fóton atinge o limite entre as camadas de alto e baixo índices de refração, ele tem uma chance de ser refletido ou de passar.

Velocidade superluminal

Depois de se deparar com todas as interfaces do material-sanduíche, os raros fótons que conseguiram penetrar inteiramente o material gastaram 12,84 femtossegundos (fs) para atravessá-lo - 1 femtossegundo equivale a um quadrilionésimo de segundo.

Os cientistas então adicionaram mais uma camada de baixo índice de refração embaixo da sua pilha. O resultado foi um aumento desproporcional do tempo que a luz viaja pelo material, que passou para 16,36 fs - 3,52 fs por conta da adição de uma única camada, quando seria de se esperar um acréscimo de 0,58 fs.

Da mesma forma, a adição de uma camada de alto índice de refração ao mesmo material inicial com 30 camadas permite um ganho de 5,34 fs, de forma que os fótons individuais parecem emergir do outro lado do sanduíche de 2,6 micrômetros de espessura em velocidade superluminal, ou seja, numa velocidade superior à velocidade da luz.

Nas interfaces entre as camadas, os fótons criam ondas que interferem entre si, afetando o tempo que eles levam para atravessar o material. [Imagem: JQI]

Propriedades da luz

Segundo os pesquisadores, seu experimento, e seus resultados estranhos, podem ser explicados pelas propriedades de onda da luz.

No experimento, a luz começa e termina a sua existência agindo como uma partícula, um fóton. Mas quando um desses fótons atinge uma interface entre as camadas do material, ele cria ondas em cada uma das superfícies, e essas ondas de luz interferem umas com as outras da mesma forma que as ondas do mar fazem para criar uma correnteza na praia.

Com as camadas de diferentes índices de refração dispostas adequadamente, as ondas de luz se combinam para dar origem ao fóton que surge do outro lado antes do que seria esperado.

Ilusão quântica

Na verdade, o que parece ser uma transmissão da informação quântica a uma velocidade mais rápida do que a velocidade da luz é uma espécie de "ilusão" porque apenas uma pequena parcela dos fótons consegue de fato atravessar o material.

Se todos os fótons da fonte de luz original pudessem ser detectados do outro lado, o resultado assumiria a forma de uma distribuição normal de tempos.

Ou seja, a má notícia é que apenas fótons viajam mais rapidamente do que a luz que eles formam. A própria luz nunca conseguirá fazer isto. Compreendeu?

Outros cientistas, porém, não compreendem dessa forma e acham que é sim possível fazer a luz viajar mais rapidamente do que ela mesma - veja Cientistas afirmam ter superado a velocidade da luz. De igual interesse tecnológico são os estudos que tentam diminuir a velocidade da luz.

Bibliografia:
Single-photon propagation through dielectric bandgaps
N. Borjemscaia, S.V. Polyakov, P.D. Lett, A. Migdall
Optics Express
Feb. 01, 2010
Vol.: 18, Issue 3, pp. 2279-2286
DOI: 10.1364/OE.18.002279

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