Pesquisadores criam gás unidimensional a partir da luz Pesquisadores criam gás unidimensional a partir da luz
Experiência conjunta da Universidade de Bonn e da Universidade de Kaiserslautern-Landau
Físicos da Universidade de Bonn e da Universidade de Kaiserslautern-Landau (RPTU) criaram um gás unidimensional a partir da luz. Isso permitiu que eles testassem previsões teóricas sobre a transição para esse estado exótico da matéria pela primeira vez. O método usado no experimento pelos pesquisadores poderia ser usado para examinar efeitos quânticos. Os resultados foram publicados no periódico “Nature Physics”.
Imagine que você está em uma piscina e tem a ideia de enchê-la com ainda mais água. Você pega uma mangueira de jardim e a usa para gerar um jato de água que se curva em um arco alto para cair na superfície da piscina. O nível da água aumenta brevemente no ponto em que o jato de água atinge a piscina, mas essa mudança no nível da água é mínima porque a água que cai é rapidamente distribuída por toda a extensão da água.
O efeito é diferente, no entanto, se você encher uma calha com seu jato de água. O jato cria uma onda de água no ponto onde você mira a mangueira. Isso ocorre porque as paredes da calha garantem que a água não possa fluir para fora através de uma superfície, mas só possa ser distribuída na direção da calha. Quanto mais estreita a calha, maior a amplitude da onda e, portanto, mais “unidimensional” ela se torna.
Físicos do Instituto de Física Aplicada (IAP) da Universidade de Bonn, em cooperação com colegas da RPTU, agora investigaram se efeitos semelhantes de dimensionalidade também podem ser alcançados com gases feitos de partículas de luz. “Para criar esses tipos de gases, precisamos concentrar muitos fótons em um espaço confinado e resfriá-los simultaneamente”, explica o Dr. Frank Vewinger do IAP, que também é membro da área de pesquisa transdisciplinar “Matéria” da Universidade de Bonn.
Calhas microscopicamente pequenas
Em seu experimento, os pesquisadores encheram um pequeno recipiente com uma solução de corante e o excitaram usando um laser. Os fótons resultantes ricocheteavam para frente e para trás entre as paredes reflexivas do recipiente. Sempre que colidiam com uma molécula de corante, eram resfriados até que, finalmente, o gás fóton se condensasse.
A dimensionalidade do gás pode ser influenciada pela modificação da superfície das superfícies reflexivas. Os pesquisadores do IAP cooperaram com o grupo de pesquisa liderado por Georg von Freymann da RPTU neste estudo. Um método de estruturação de alta resolução foi adaptado para que pudesse ser aplicado às superfícies reflexivas do recipiente de fótons para este experimento. “Conseguimos aplicar um polímero transparente às superfícies reflexivas para criar saliências microscopicamente pequenas”, explica Julian Schulz da RPTU. “Essas saliências nos permitem capturar os fótons em uma ou duas dimensões e condensá-los.”
“Esses polímeros agem como um tipo de calha, mas neste caso para luz”, diz Kirankumar Karkihalli Umesh, autor principal do estudo. “Quanto mais estreita for essa calha, mais unidimensionalmente o gás se comporta.”
As flutuações térmicas mancham o ponto de condensação
Em duas dimensões, há um limite de temperatura preciso no qual a condensação ocorre – semelhante a como a água congela precisamente a zero graus Celsius. Os físicos chamam isso de transição de fase. “No entanto, as coisas são um pouco diferentes quando criamos um gás unidimensional em vez de um bidimensional”, diz Vewinger. “As chamadas flutuações térmicas ocorrem em gases de fótons, mas são tão pequenas em duas dimensões que não têm impacto real. No entanto, em uma dimensão essas flutuações podem – figurativamente falando – fazer grandes ondas.”
Essas flutuações destroem a ordem dos sistemas unidimensionais, de modo que diferentes regiões dentro do gás não se comportam mais da mesma forma. Como resultado, a transição de fase, que ainda é definida precisamente em duas dimensões, torna-se cada vez mais “manchada” quanto mais unidimensional o sistema se torna. No entanto, suas propriedades ainda são governadas pela física quântica, como no caso de gases bidimensionais, e esses tipos de gás são chamados de gases quânticos degenerados. É como se a água se transformasse em uma forma de água gelada em baixas temperaturas sem nunca congelar completamente ao resfriar. “Agora fomos capazes de investigar esse comportamento na transição de um gás de fótons bidimensional para um unidimensional pela primeira vez”, explica Vewinger.
Os grupos de pesquisa foram capazes de demonstrar que gases de fótons unidimensionais não têm, na verdade, um ponto de condensação preciso. Ao fazer pequenas mudanças nas estruturas do polímero, agora será possível investigar fenômenos que ocorrem na transição entre diferentes dimensionalidades em grande detalhe. Isso ainda é considerado pesquisa básica no momento, mas é possível que possa abrir novas áreas de aplicação para efeitos ópticos quânticos.
