Primeira “fotografia” da luz como partícula e onda

Crédito: Fabrizio Carbone/EPFL

A mecânica quântica nos diz que a luz pode se comportar simultaneamente como onda e partícula. No entanto, nunca houve um experimento em que se conseguiu capturar ambas as naturezas da luz ao mesmo tempo; o mais perto que conseguimos foi ver ou onda ou partícula, mas sempre em vezes diferentes. Tomando uma mudança radical, cientistas do EPFL conseguiram a primeira captura de imagem da luz se comportando como onda e partícula. O trabalho inovador foi publicado na Nature Communications.

Quando a luz ultravioleta atinge uma superfície metálica, é causa uma emissão de elétrons. Albert Einstein explicou esse efeito fotoelétrico propondo que a luz – que pensava-se ser apenas uma onda – era também um fluxo de partículas.

O experimento foi montado da seguinte forma: Um pulso de laser é disparado contra um pequeno nanofio metálico. O laser energiza as partícula do nanofio, fazendo-os vibrar. A luz viaja por esse fio em duas direções possíveis, como carros em uma estrada. Quando as ondas se encontram elas formam uma nova onda que parece ficar no lugar. Essa onda parada se torna a fonte de luz do experimento, irradiando ao redor do fio.

É aqui que vem o truque do experimento: Os cientistas dispararam um fluxo de elétrons próximo ao nanofio, usando-os para gerar uma imagem da onda de luz parada. Assim que os elétrons interagiam com a luz confinada no fio, eles ou aceleravam ou desaceleravam. Usando o microscópio ultrarrápido para gerar a imagem da posição onde ocorria a mudança da velocidade, a equipe de Carbone agora podia visualizar a onda, que agia como a impressão digital da natureza-onda da luz.

Enquanto esse fenômeno mostrou a “parte onda” da luz, simultaneamente demonstrou seu aspecto de partícula. Enquanto os elétrons passavam próximos à onda, eles “acertavam” os fótons. Como mencionado acima, isso afeta suas velocidades. Essa mudança na velocidade aparece como uma troca de “pacotes” de energia (quanta) entre elétrons e fótons. A ocorrência desses pacotes de energia mostra que a luz no nanofio age como partícula.

“Esse experimento demonstra que, pela primeira vez, nós podemos filmar a mecânica quântica – e sua natureza paradoxal – diretamente,” disse Fabrizio Carbone. Além disso, a importância desse trabalho pioneiro pode se estender além da ciência fundamental e para futuras tecnologias. Como Carbone explica: “Ser capaz de gerar imagens e controlar fenômenos quânticos na escala dos nanômetros abre um novo caminho em direção da computação quântica.”

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