Luz supera velocidade máxima da luz - duas vezes

Com informações da Science - 18/08/2011

Confusões luminosas

Ainda está ecoando no ar os resultados de uma pesquisa recente, mal "traduzida" pela imprensa em geral como uma "prova" da impossibilidade de viagens no tempo.

Para confundir ainda mais as coisas, dois grupos independentes de pesquisadores acabam de demonstrar duas formas diferentes de fazer com que pulsos de luz viajem a uma velocidade superior aos 300.000 km/h estabelecidos pela teoria da relatividade especial de Einstein.

Por incrível que pareça, as conclusões destes novos estudos não contestam aquele trabalho da viagem no tempo e não derrubam a teoria da relatividade, mas podem ter resultados muito práticos, permitindo aumentos reais na velocidade de transmissão de informações por fibras ópticas.

Formas de ver a luz

Superando outros trabalhos que já demonstraram fótons viajando mais rápido do que a luz e partículas superluminais, os físicos agora conseguiram fazer com que "muita luz" pareça viajar mais rápido do que seria permitido.

Nos experimentos, a luz emerge do outro lado material mesmo antes de ter entrado na frente desse material.

Toda a confusão com esses experimentos emerge das muitas formas como a luz pode ser "vista" e interpretada.

Um pulso de luz, por exemplo, pode ser visto como uma espécie de onda de radiação eletromagnética chispando pelo espaço. Assim, se você fizer um gráfico da intensidade desse pulso, ele vai começar em zero, subir suavemente até formar um único pico, e então declinar novamente até zero.

Mas pode-se também imaginar esse pulso como uma coleção de ondas com diversos comprimentos de onda. O que antes era um pico individual de um único pulso de luz, passa a ser o resultado do somatório de uma série de ondas oscilando para baixo e para cima e se sobrepondo umas sobre as outras.

No centro do pulso, as diversas ondas se alinham e se reforçam mutuamente, ao contrário da subida e da descida do pulso, onde as ondas ficam fora de sincronia e acabam se cancelando.

Sanduíche mágico

A equipe das universidades da Califórnia (EUA) e Imperial College London (Grã-Bretanha), autora do primeiro estudo, adotou esse ponto de vista e construiu um material híbrido capaz de reduzir a velocidade de alguns comprimentos de onda da luz mais do que outros.

Isso alterou a forma como as ondas se alinham e deslocou aquele pico - o ponto onde as diversas ondas se reforçam - fazendo o pico saltar adiante a uma velocidade maior do que a velocidade da luz.

O material é um sanduíche contendo uma placa perfurada de cobre posta entre duas camadas de 0,79 milímetro de Teflon. Essas duas camadas mantêm o brilho e a direção das ondas de luz, enquanto o padrão de furos no metal reforça essas ondas.

O resultado foi que o pico do pulso de luz emergiu do outro lado do sanduíche antes de entrar no próprio sanduíche.

Enquanto os experimentos anteriores detectaram menos de 1% dos pulsos de luz quebrando o limite cósmico de velocidade, a interação entre o metal e o teflon permitiu que até 10% da luz chegasse do outro lado 100 picossegundos antes do que o fariam se obedecessem as regras de trânsito cósmicas.

Interpretação da Relatividade

Mas isso não viola a teoria da relatividade porque isto exigiria que as ondas individuais viajassem a uma velocidade superior aos exatos 299.792.458 metros por segundo.

Hoje, os físicos interpretam a relatividade de uma forma ligeiramente mais sutil: eles consideram que a teoria da relatividade estabelece que a informação não pode ser transmitida mais rápido do que a luz.

E é a parte frontal das primeiras ondas que se sobrepõem - e não a posição exata do pico do pulso de luz - que determina a velocidade final na qual a informação pode fluir. É por isto que este experimento não contesta o resultado daquela pesquisa recente que mostrou que o precursor óptico de um fóton não supera a velocidade da luz.

Dois feixes de luz viajando em direções opostas dentro de uma fibra óptica interferem um com o outro, deslocando o pico do pulso de luz. [Imagem: Zhan et al.]

Trombada que acelera

A equipe da Universidade Shanghai Jiao Tong, na China, afirma que pode fazer um pulso de luz superar ainda mais o limite de velocidade estabelecido por Einstein usando fibras ópticas.

O grupo enviou um pulso de luz infravermelha no sentido horário em uma bobina de fibras ópticas e monitoraram esse pulso em dois pontos, um próximo ao ponto onde a luz entra na fibra óptica e outro 10 metros à frente.

Em tese, a luz deveria passar pelo primeiro sensor em um determinado momento 0, e então atingir o segundo sensor 48,6 nanossegundos depois.

Mas então surge o truque: os cientistas dispararam um segundo feixe de luz no sentido anti-horário. Isto modificou o alinhamento das ondas e alterou a velocidade com que os diversos comprimentos de onda viajam através da fibra óptica, causando sobreposições que, como no experimento anterior, deslocaram para frente o pico do pulso de luz.

O resultado foi que a luz chegou ao segundo sensor 211,3 nanossegundos antes do que seria de se esperar.

Velocidade das comunicações ópticas

Mas o mais impressionante ainda está por vir: apesar da informação de fato não viajar mais rápido do que a velocidade da luz, ainda assim estes experimentos podem resultar em ganhos práticos nas telecomunicações por fibras ópticas, tornando-as mais rápidas.

Ou seja, em termos práticos, as informações não vão viajar mais rápido do que a velocidade da luz, mas poderão viajar a uma velocidade maior do que viajam hoje.

Isto acontece porque os receptores de comunicações ópticas reagem aos picos de um pulso de luz, e não à parte frontal do pico - seu "precursor óptico".

Assim, qualquer mecanismo que coloque o pico mais próximo da borda frontal do pulso de luz resultará no ganho de algumas centenas de nanossegundos.

Mande uma ordem de compra para um lote de ações que está à venda em uma bolsa de valores do outro lado do mundo e algumas centenas de nanossegundos podem fazer a diferença entre um bom lucro e perder a oportunidade do negócio.

É por isso que os pesquisadores apostam que suas descobertas, embora "inócuas" para a relatividade e a viagens espaciais, terão uma utilidade prática muito imediata.

Bibliografia:

Negative group delay through subwavelength hole arrays
M. Navarro- Cia, M. Beruete, F. Falcone, M. Sorolla, V. Lomakin
Physical Review B
12 August 2011
Vol.: 84, 075151 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevB.84.075151

Negative group velocity superluminal propagation in optical fibers using stimulated Brillouin scattering
Li Zhan, Liang Zhang, Jinmei Liu, Qishun Shen, Yuxing Xia
9th International Conference on Optical Communications and Networks Proceedings
Vol.: Proceedings p.245-248
DOI: 10.1049/cp.2010.1197

Raio de partículas virtuais constrói nanoestruturas reais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2011

Vários exemplos do controle do feixe de luz e plasma, incluindo a mudança para diferentes direções (a e b) e a passagem por cima de obstáculos (os círculos cinza em c). [Imagem: Optics Letters/Peng Zhang]

Um feixe de partículas virtuais é capaz de manipular partículas reais, construindo estruturas em nanoescala que superam os padrões atuais da eletrônica e da optoeletrônica.

Processadores e chips em geral, mas também células solares, sensores de câmeras digitais e componentes para telecomunicações por fibras ópticas dependem da luz para a sua construção.

O problema é que a miniaturização crescente está superando a capacidade da luz em "escavar" as nanoestruturas que formam esses componentes.

Enquanto a luz visível tem comprimentos de onda na faixa das centenas de nanômetros, os componentes eletrônicos já são medidos na faixa das dezenas de nanômetros. Isto tem exigido truques cada vez mais mirabolantes dos engenheiros.

Feixe híbrido de luz e plasma

Mas uma saída mais definitiva pode estar em partículas virtuais, conhecidas como plásmons de superfície que, se já não fossem estranhas o suficiente por si sós, agora foram dispostas na forma de um feixe curvo.

Desafiando o senso comum e as leis do eletromagnetismo, esse feixe não viaja de forma retilínea, como a luz com que estamos acostumados - ele forma um arco.

"É uma coisa esquisita, com certeza," concorda o Dr. Peng Zhang, da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos. "É por isso que as pessoas ficam tão interessadas nesses tipos de feixes tão interessantes."

Mas a coisa toda parece ainda mais exótica: os cientistas conseguiram pela primeira vez manipular um feixe híbrido de luz e plasma - eles o chamaram de feixe plasmônico de Airy, em homenagem ao astrônomo George Biddell Airy, que estudou o que parecia ser uma trajetória parabólica na luz do arco-íris.

Quando esse feixe híbrido de luz e plasma atinge uma superfície metálica - tipicamente em uma estrutura irregular, conhecida como gradeamento (grating) - ela gera pequenas ondas de elétrons na interface entre o metal e o ar.

• Plasmônica: em busca da computação à velocidade da luz

Os cientistas construíram um equipamento óptico controlado por computador que controla em tempo real o feixe de partículas virtuais. [Imagem: Optics Letters/Peng Zhang]

Essas ondas, conhecidas comopolaritons de plásmons de superfície(SPP: surface plasmon polariton), são consideradas quasipartículas, ou partículas virtuais. São elas que formam o padrão em arco.

E, da mesma forma que as ondas do oceano movem objetos que estejam na superfície da água, os polaritons podem ser dirigidos para manipular e criar estruturas ultrafinas na superfície do metal.

Nova nanoferramenta

Os polaritons permitem lidar com objetos com uma dimensão equivalente à metade do comprimento de onda da luz necessária para gerá-los.

Até agora, porém, só se sabia como dirigir os polaritons usando nanoestruturas fixas, uma falta de flexibilidade que vinha limitando seu uso na construção de novos nanocomponentes.

Já o feixe de Airy em arco pode ser guiado em tempo real - e guiar o feixe significa guiar os polaritons que entram em sua composição.

Nasce, portanto, uma nova ferramenta para a criação de sistemas, circuitos e componentes em nanoescala, que dispensa qualquer estrutura-guia para dirigir o feixe de energia que realmente faz o trabalho - até agora era necessário um grande aparato que inclui guias de ondas, lentes, divisores de feixe e refletores.

Usando uma óptica controlada por computador, a equipe desenvolveu uma forma de dirigir e manipular os feixes curvos, dirigindo sua trajetória com precisão para pontos específicos sobre a superfície a ser trabalhada.

Por ser arqueado, o feixe tem a grande vantagem, em relação aos feixes diretos de luz, de superar defeitos e saliências no material.

"A natureza ultrafina dos plásmons de superfície torna-os uma ferramenta promissora para a nanolitografia do futuro e para aplicações em nanoimagem," disse Sheng Wang, outro membro da equipe.

O trabalho foi coordenado pelo Dr. Xiang Zhang, que tem uma longa lista de inovações na área da fotônica e da plasmônica.

Bibliografia:

Plasmonic Airy beams with dynamically controlled trajectories
Peng Zhang, Sheng Wang, Yongmin Liu, Xiaobo Yin, Changgui Lu, Zhigang Chen, Xiang Zhang
Optics Letters
Aug. 15 2011
Vol.: 36, 16, pp. 3191-3193
DOI: 10.1364/OL.36.003191

Virtual que afeta o real