Pesquisadores criam um novo caminho para a ‘luz quântica’

Os pesquisadores da Universidade de Cambridge, juntamente com colegas dos EUA, Israel e Áustria, desenvolveram uma teoria que descreve um novo estado de luz, que possui propriedades quânticas controláveis ​​em uma ampla gama de frequências, tão altas quanto as frequências de raios-X. . Seus resultados são relatados na revista física da natureza.

O mundo que observamos ao nosso redor pode ser descrito de acordo com as leis da física clássica, mas uma vez que observamos as coisas em escala atômica, o estranho mundo da física quântica assume o controle. Imagine uma bola de basquete: observando-a a olho nu, a bola de basquete se comporta de acordo com as leis da física clássica. Mas os átomos que compõem a bola de basquete se comportam de acordo com a física quântica.

“A luz não é exceção: da luz solar às ondas de rádio, ela pode ser descrita principalmente usando a física clássica”, disse o principal autor, Andrea Pizzi, que realizou a pesquisa no Laboratório Cavendish de Cambridge. “Mas na micro e na nanoescala, as chamadas flutuações quânticas começam a desempenhar um papel e a física clássica não pode explicá-las.”

Pizzi, que atualmente trabalha na Universidade de Harvard, trabalhou com o grupo de Ido Kaminer no Technion-Israel Institute of Technology e colegas do MIT e da Universidade de Viena para desenvolver uma teoria que prevê uma nova maneira de controlar a natureza quântica da luz.

“As flutuações quânticas tornam a luz quântica mais difícil de estudar, mas também mais interessante: se projetadas corretamente, as flutuações quânticas podem ser um recurso”, disse Pizzi. “Controlar o estado da luz quântica pode permitir novas técnicas em microscopia e computação quântica”.

Uma das principais técnicas de geração de luz utiliza lasers fortes. Quando um laser forte o suficiente é apontado para uma coleção de emissores, ele pode arrancar alguns elétrons dos emissores e energizá-los. Eventualmente, alguns desses elétrons se recombinam com os emissores de onde foram extraídos, e o excesso de energia que eles absorveram é liberado como luz. Este processo transforma a luz de entrada de baixa frequência em uma radiação de saída de alta frequência.

“A suposição é que todos esses emissores são independentes uns dos outros, resultando em luz de saída na qual as flutuações quânticas são bastante inexpressivas”, disse Pizzi. “Queríamos estudar um sistema onde os emissores não são independentes, mas correlacionados: o estado de uma partícula diz algo sobre o estado de outra. Nesse caso, a luz de saída começa a se comportar de maneira muito diferente e suas flutuações quânticas se tornam altamente estruturadas , e potencialmente mais útil.”

Para resolver esse tipo de problema, conhecido como problema de muitos corpos, os pesquisadores usaram uma combinação de análise teórica e simulações de computador, onde a luz de saída de um grupo de emissores correlacionados poderia ser descrita usando a física quântica.

A teoria, cujo desenvolvimento foi liderado por Pizzi e Alexey Gorlach do Technion, demonstra que a luz quântica controlável pode ser gerada por emissores correlacionados com um laser forte. O método gera luz de saída de alta energia e pode ser usado para projetar a estrutura óptica quântica dos raios-X.

“Trabalhamos por meses para deixar as equações cada vez mais limpas, até chegarmos ao ponto em que poderíamos descrever a conexão entre a luz de saída e as correlações de entrada com apenas uma equação compacta. Como físico, acho isso lindo”, disse Pizza. “No futuro, gostaríamos de colaborar com experimentalistas para fornecer uma validação de nossas previsões. Do lado da teoria, nosso trabalho sugere sistemas de muitos corpos como um recurso para gerar luz quântica, um conceito que queremos investigar de forma mais ampla. , além da configuração considerada neste trabalho.”

A pesquisa foi apoiada em parte pela Royal Society. Andrea Pizzi é pesquisadora júnior no Trinity College, Cambridge.