Os átomos podem absorver e reemitir luz – este é um fenômeno cotidiano. Na maioria dos casos, porém, um átomo emite uma partícula de luz em todas as direções possíveis – recapturar esse fóton é, portanto, bastante difícil.



Uma equipa de investigação da TU Wien em Viena (Áustria) conseguiu agora demonstrar teoricamente que, utilizando uma lente especial, um único fotão emitido por um átomo pode ser garantido que será reabsorvido por um segundo átomo. Este segundo átomo não apenas absorve o fóton, mas também o devolve diretamente ao primeiro átomo. Dessa forma, os átomos passam o fóton uns para os outros com extrema precisão, repetidas vezes – exatamente como no pingue-pongue.

Como domar uma onda

"Se um átomo emite um fóton em algum lugar do espaço livre, a direção da emissão é completamente aleatória. Isso torna praticamente impossível fazer com que outro átomo distante capte esse fóton novamente, "diz o Prof. Stefan Rotter do Instituto de Física Teórica da TU Viena. "O fóton se propaga como uma onda, o que significa que ninguém pode dizer exatamente em que direção ele está viajando. É, portanto, puro acaso se a partícula de luz é reabsorvida por um segundo átomo ou não."

A situação é diferente se o experimento não for realizado em espaço livre, mas em ambiente fechado. Algo bastante semelhante é conhecido nas chamadas galerias de sussurros em acústica:se duas pessoas se colocam numa sala elíptica exactamente nos pontos focais da elipse, podem ouvir-se perfeitamente – mesmo quando apenas sussurram baixinho.

As ondas sonoras são refletidas pela parede elíptica de tal forma que se encontram novamente exatamente onde a segunda pessoa está – esta pessoa pode, portanto, ouvir perfeitamente o sussurro silencioso.

“Em princípio, algo semelhante poderia ser construído para ondas de luz ao posicionar dois átomos nos pontos focais de uma elipse”, diz Oliver Diekmann, o primeiro autor da publicação atual. "Mas, na prática, os dois átomos teriam de ser posicionados com muita precisão nestes pontos focais."

A lente olho de peixe Maxwell

A equipe de pesquisa, portanto, apresentou uma estratégia melhor baseada no conceito de lente olho de peixe, desenvolvida por James Clerk Maxwell, o fundador da eletrodinâmica clássica. A lente compreende um índice de refração espacialmente variável. Enquanto a luz viaja em linhas retas em um meio uniforme, como o ar ou a água, os raios de luz são curvados em uma lente olho de peixe Maxwell.

“Desta forma, é possível garantir que todos os raios que emanam de um átomo alcancem a borda da lente em um caminho curvo, sejam posteriormente refletidos e cheguem ao átomo alvo em outro caminho curvo”, explica Oliver Diekmann. Nesse caso, o efeito funciona com muito mais eficiência do que em uma simples elipse, e os desvios das posições ideais dos átomos são menos prejudiciais.

"O campo de luz nesta lente olho de peixe da Maxwell consiste em muitos modos oscilatórios diferentes. Isto lembra tocar um instrumento musical onde diferentes harmônicos são gerados ao mesmo tempo", diz Stefan Rotter. "Conseguimos mostrar que o acoplamento entre o átomo e esses diferentes modos de oscilação pode ser adaptado de tal forma que o fóton é transferido de um átomo para outro quase certamente - bem diferente do que seria o caso no espaço livre. ."

Depois que o átomo absorve o fóton, ele é deixado em um estado de maior energia até reemite o fóton após um curto período de tempo. Então o jogo recomeça:os dois átomos trocam de papéis e o fóton retorna do átomo receptor para o átomo emissor original – e assim por diante.

O efeito foi demonstrado teoricamente, mas testes práticos são possíveis com a tecnologia atual. “Na prática, a eficiência poderia ser aumentada ainda mais usando não apenas dois átomos, mas dois grupos de átomos”, diz Stefan Rotter. "O conceito pode ser um ponto de partida interessante para sistemas de controle quântico estudarem efeitos em interações luz-matéria extremamente fortes."

O trabalho está publicado na revista Physical Review Letters .

Mais informações: Oliver Diekmann et al, Ultrafast Excitation Exchange in a Maxwell Fish-Eye Lens, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.013602
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Viena