Cientistas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ, na sigla em inglês) projetaram o espelho mais leve possível com uma estrutura composta apenas por algumas centenas de átomos idênticos. No estudo, publicado na revista científica Nature, os físicos explicam que os átomos estão dispostos na matriz bidimensional de uma treliça óptica formada por raios laser interferentes. Por ora, o metamaterial é o único de seu tipo.
No geral, espelhos utilizam superfícies metálicas altamente polidas, mas, agora, os cientistas do MPQ demonstraram, pela primeira vez, que uma única camada estruturada com centenas de átomos ordenados é capaz de formar um espelho mais leve do que um dia se imaginou. Com apenas dezenas de nanômetros de espessura, o aparato é mil vezes mais fino que a grossura de um fio de cabelo humano. Ainda assim, o reflexo é tão forte que pode ser enxergado a olho nu.
O mecanismo do novo espelho
Antes de mais nada, vale contextualizar que metamateriais são estruturas projetadas artificialmente com propriedades muito específicas que raramente são encontradas naturalmente. Eles obtêm suas propriedades não dos materiais de que são feitos, mas das estruturas específicas com as quais são projetados.
Para mostrar reflexos, o espelho trabalha com átomos idênticos dispostos em uma matriz bidimensional. Eles são ordenados em um padrão regular, com um espaçamento menor que o comprimento de onda de transição óptica dos átomos, características típicas e necessárias dos metamateriais.
O padrão regular e o espaçamento dos átomos no comprimento de onda suprimem uma dispersão difusa da luz, agrupando a reflexão em um feixe de luz unidirecional e constante. Devido à distância comparativamente próxima e pequena entre os átomos, um fóton – partícula que compõe a luz – recebido pode saltar para frente e para trás entre os átomos mais de uma vez antes de ser refletido. Ambos os efeitos, a dispersão da luz e a oscilação dos fótons, levam a uma reação externa – neste caso, um reflexo muito forte.
Jun Rui e David Wei, autores do estudo, diante da complexa estrutura experimental que deu origem ao espelho de átomos. Imagem: Instituto Max Planck de Óptica Quântica
“Os resultados são muito empolgantes para nós. Como em conjuntos de granéis diluídos típicos, as correlações mediadas por fótons entre átomos, que desempenham um papel vital em nosso sistema, geralmente são negligenciadas nas teorias tradicionais da óptica quântica. Por outro lado, matrizes ordenadas de átomos feitas com o carregamento de átomos ultrafrios nas redes ópticas foram exploradas principalmente para estudar simulações quânticas de modelos de matéria condensada. Mas agora acaba sendo uma plataforma poderosa para estudar também os novos fenômenos ópticos quânticos”, explicou o físico Jun Rui, um dos autores do estudo.
O resultado do estudo compõe as primeiras observações do campo recém-emergente da óptica quântica com átomos ordenados. A partir de agora, pesquisas adicionais podem aprofundar o entendimento das teorias quânticas da interação matéria-luz.
“Muitas novas oportunidades interessantes foram abertas, como uma abordagem intrigante para estudar a optomecânica quântica, que é um campo crescente de estudo da natureza quântica da luz com dispositivos mecânicos. Ou nosso trabalho também pode ajudar a criar melhores memórias quânticas ou até construir um espelho óptico comutável quântico”, contou David Wei, outro autor do esudo. “Ambos são avanços interessantes para o processamento quântico de informações”, acrescentou.
Via: Phys.org