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Fonte de luz usa átomos de rubídio, elemento químico que emite feixes de luz numa intensidade que possibilitou identificar uma correlação conhecida como emaranhamento quântico, fenômeno que é área de estudo dos premiados com o Nobel de Física em 2022 - Foto: Marcos Santos / USP Imagens
Átomos “eficientes” revelam comportamento da luz na física quântica
Fonte de luz usada em experimentos de física pode contribuir com o aprimoramento, no futuro, de sensores de campos magnéticos
Texto: Júlio Bernardes
Arte: Rebeca Fonseca
No Instituto de Física (IF) da USP, pesquisadores do Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz (LMCAL) desenvolveram uma fonte de luz que permite observar o comportamento dos feixes luminosos de forma mais eficiente, de modo a identificar interações entre eles que fogem do convencional e seguem os princípios da física quântica. A fonte usa átomos de rubídio, elemento químico que emite feixes de luz numa intensidade que possibilitou identificar uma correlação conhecida como emaranhamento quântico – fenômeno que é área de estudo dos premiados com o Nobel de Física em 2022. Embora se trate de um trabalho experimental, os resultados da pesquisa do IF podem contribuir com o futuro desenvolvimento de sensores em que a luz produzida pelos átomos aumenta a capacidade de detecção, por exemplo, de campos magnéticos. A medição da direção e da força desses campos pelos sensores é útil em estudos científicos sobre magnetismo e, na indústria, para monitorar a operação de máquinas.
“O objetivo do trabalho é buscar fontes de luz que tenham correlações quânticas. Uma dessas fontes é o Oscilador Paramétrico Óptico (OPO), um dispositivo que possui um conjunto de espelhos, chamado de cavidade óptica. Sobre essa cavidade incide um laser, chamado de feixe de bombeio, que dá origem a feixes de luz com amplitudes de onda muito próximas, o que é classificado como uma correlação quântica”, afirma ao Jornal da USP o físico Hans Marin Florez, que coordenou o experimento. “Nesse trabalho mostramos que as fases, ou seja, as direções tomadas pelos feixes, também são muito próximas, o que define uma correlação quântica de fase e faz com que os feixes produzidos possam ser classificados como campos de luz com emaranhamento quântico.”
Segundo o físico, estudos semelhantes usavam cristais para gerar os feixes no oscilador, no entanto, os trabalhos do laboratório empregam átomos de rubídio introduzidos entre os espelhos da cavidade óptica. “Em um experimento anterior, demonstramos as correlações de intensidade entre os feixes emitidos pelos átomos, porém isso não permitia dizer se havia emaranhamento”, observa. “Agora, adicionando novas etapas de detecção, conseguimos caracterizar o emaranhamento dos feixes de luz.”
Hans Marin Florez - Foto: Marcos Santos/USP Imagens
O uso dos átomos, na forma de vapor atômico, permitiu aumentar a intensidade dos feixes de luz e identificar correlações perfeitamente definidas entre elas, o que caracteriza o emaranhamento quântico.
“Ao mesmo tempo, descobriu-se que ao invés de analisar dois grupos ou modos de componentes espectrais, como no experimento anterior, havia quatro grupos com correlações quânticas, o que mostra uma maior riqueza para observar tanto a fase quanto a amplitude da luz gerada pelo sistema”, diz Florez.
Eficiência
De acordo com o físico, o uso dos átomos na cavidade óptica pode aumentar a eficiência da fonte de luz. “Num Oscilador Paramétrico Óptico típico, um cristal é colocado dentro da cavidade para produzir os feixes de luz e os espelhos são necessários para amplificar a emissão”, relata. “A ideia é que a produção dos feixes não dependa tanto dos espelhos, e com os átomos há um ganho muito alto em eficiência, facilitando o processo de geração de feixes e usando a metade da potência óptica que seria necessária no processo tradicional.”
Uso dos átomos, na forma de vapor atômico, permitiu aumentar a intensidade dos feixes de luz e identificar correlações perfeitamente definidas entre elas, o que caracteriza o emaranhamento quântico – Foto: Marcos Santos/USP Imagens
“A maior eficiência dos átomos tem potenciais aplicações no contexto de informação quântica e também pode viabilizar uma outra aplicação tecnológica do sistema, na área de metrologia, em sensores.”
Nesse caso, explica o cientista, a luz é usada para extrair informações, por exemplo, em magnetômetros, que são sensores empregados para detectar e medir a direção e a força dos campos magnéticos. “No entanto, há uma limitação ligada ao ruído de intensidade do feixe de luz, que pode limitar a sensibilidade do sensor. Com os átomos, é possível reduzir esse ruído e aumentar a sensibilidade para detectar campos magnéticos pouco intensos, como o que é produzido pelo cérebro humano”, detalha Florez. Além de serem adotados em estudos científicos sobre magnetismo, os sensores de campos magnéticos também possuem aplicações industriais, como o monitoramento a distância do funcionamento de máquinas.
O físico observa que o emaranhamento é a propriedade fundamental de muitos protocolos de processamento e comunicação quântica para transmitir ou processar informações. “Isso abriria caminho para uma nova forma de computação”, afirma. “Entretanto, ainda há dúvidas se esse processamento será mais eficiente que o dos computadores atuais, o que vai demandar mais pesquisas.”
A pesquisa foi realizada com a supervisão dos professores Marcelo Matinelli e Paulo Nussenzveig. O estudo é descrito no artigo Continuous Variable Entanglement in an Optical Parametric Oscillator Based on a Nondegenerate Four Wave Mixing Process in Hot Alkali Atoms, publicado em 11 de outubro na revista científica Physical Review Letters, nos Estados Unidos.
Mais informações: e-mail hansmf@gmail.com, com Hans Marin Florez
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