O que é luz? Parece uma pergunta simples, mas é aquele que ocupou algumas das melhores mentes científicas durante séculos.

Agora, um estudo colaborativo com cientistas da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) acrescentou outra reviravolta à história, transformando uma teoria abstrata sobre as propriedades quânticas dos ímãs em uma hipótese testável sobre um novo tipo de luz.

Desde que Isaac Newton refratou luz através de prismas em 1672, os cientistas estão divididos sobre se a luz é composta de partículas ou ondas. A luz parece viajar em linha reta, como seria de se esperar de uma partícula, mas os experimentos de Newton mostraram que também tem frequência e comprimento de onda, como ondas sonoras.

Quase 200 anos depois, o físico escocês James Clerk Maxwell forneceu uma parte da resposta, quando ele percebeu que a luz era composta de campos elétricos e magnéticos flutuantes. Foi apenas no século 20 por meio da obra de Einstein, que a luz foi finalmente compreendida como composta de partículas fundamentais chamadas fótons, que agem como partículas e ondas.

Esta descoberta ajudou a inspirar a nova ciência da mecânica quântica, que descreve o comportamento da matéria e da energia no nível atômico e subatômico.

Mais recentemente, no final do século 20, os físicos começaram a explorar um fenômeno chamado emergência. Assim como o comportamento de grandes grupos de pessoas pode ser diferente de qualquer membro do grupo, emergência descreve como as partículas em grandes grupos podem se comportar de maneiras inesperadas, revelando novas leis da física ou fornecendo um novo contexto para as antigas. Uma pergunta que estava sendo feita era, "Poderia haver algo como luz emergente?"

Isso nos leva ao OIST Professor Nic Shannon, Han Yan, um Ph.D. estudante em sua Unidade de Teoria da Matéria Quântica, e seus colegas na Suíça e nos Estados Unidos. Seu trabalho recente centra-se em uma estranha família de sistemas magnéticos conhecidos como spin ice, que escapam de todas as formas convencionais de ordem magnética e, em vez disso, abrem uma janela para o mundo quântico.

Em ímãs convencionais, como os da sua geladeira, átomos magnéticos produzem um minúsculo campo magnético e trabalham juntos para gerar campos magnéticos muito maiores que os permitem "grudar" em objetos de metal. Isso é possível porque os minúsculos campos magnéticos associados a cada átomo diferente no ímã se ordenam de forma que apontem na mesma direção.

Em spin ice, Contudo, átomos não se ordenam magneticamente, mas ainda trabalham juntos para produzir um campo magnético que flutua na escala atômica.

Recentemente, pesquisadores perceberam que efeitos quânticos em baixas temperaturas podem introduzir um campo elétrico emergente no gelo de spin, com uma consequência surpreendente:os campos elétricos e magnéticos emergentes se combinam para produzir excitações magnéticas que se comportam exatamente como fótons de luz.

"Ele se comporta como luz, mas você não pode ver com seus olhos, "disse o Prof Shannon" Imagine que o cristal de gelo giratório é um universo minúsculo com suas próprias leis da natureza, e você está do lado de fora olhando para dentro. Como você poderia descobrir o que está acontecendo lá dentro?

Em 2012, o Prof. Shannon e seu então Ph.D. O aluno Owen Benton propôs uma maneira de detectar a luz dentro de um gelo quântico de spin, refletindo nêutrons nos átomos magnéticos dentro do cristal. Eles previram uma assinatura característica em como o cristal absorve a energia dos nêutrons, que sinaliza a presença da eletrodinâmica emergente de um gelo de spin quântico.

Agora, em um artigo publicado em Física da Natureza , os autores relatam que observaram essa assinatura em um material denominado hafnato de praseodímio (Pr2Hf2O7).

Encontrar as assinaturas da luz emergente em um material real foi muito desafiador, já que exigia trabalhar em temperaturas tão baixas quanto 50 milikelvin - menos de um décimo de grau acima do zero absoluto - com cristais livres de sujeira e imperfeições.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Romain Sibille do Paul Scherrer Institut (PSI) na Suíça, em colaboração com colegas da Universidade de Warwick no Reino Unido, conseguiram gerar um cristal perfeito de um material de gelo de spin quântico com o qual puderam finalmente testar a hipótese.

"É muito bonito, como uma pedra preciosa, "disse o Prof Shannon, "e é incrível pensar que é tudo um grande cristal sem imperfeições."

Sibille levou este cristal para o Instituto Europeu Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, França, bem como o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) no Tennessee, EUA, usar espectrômetros de nêutrons especialmente desenvolvidos para essas instalações.

Em um experimento extremamente desafiador, A equipe de Sibille usou uma série de 960 superespelhos revestidos com ferro, cobalto, e ligas de vanádio que podem refletir seletivamente diferentes tipos de nêutrons, algo que sua instituição de origem PSI desenvolveu, e usaram o instrumento HYSPEC (ORNL) para obter uma análise 3-D de seus padrões de reflexão.

Em combinação com um mapeamento completo dos nêutrons espalhados usando o instrumento IN5 (ILL), isso lhes permitiu medir a polarização das partículas espalhadas e mapear as assinaturas de energia que essas partículas produziram. "

A teoria do Dr. Benton e do professor Shannon tem uma semelhança incrível com os mapas de energia experimentais. A representação gráfica da reflexão de nêutrons exibiu os chamados pontos de compressão, que são características de um gelo de spin quântico. Quando o gelo de rotação foi verificado em baixas temperaturas, os pontos de aperto desapareceram de uma forma que sugeria fortemente a luz emergente.

Yan trabalhou na teoria e analisou os dados experimentais para determinar a velocidade da luz emergente - modestos 3,6 m por segundo, quase tão rápido quanto alguém correndo uma maratona em quatro horas. Os fótons da luz normal - o tipo sob o qual você pode tomar banho de sol - podem cobrir a mesma distância em menos de um milésimo de segundo.

"Para mim é muito legal que este material se comporte como um mini-universo com sua própria luz e partículas carregadas", disse Han.

"Atualmente, não sabemos como explicar esses resultados sem invocar a mecânica quântica, "disse o Prof Shannon, "então realmente parece que vimos luz emergente."