Cientista brasileiro descobre propriedade inédita dos lasers

Os lasers são vastamente utilizados em nosso mundo, inclusive na ciência. Até o momento, parecia que tínhamos pleno conhecimento de seu funcionamento. Mas um grupo de físicos mostrou que isso não é bem verdade. Eles descobriram que o laser tem poder de bloquear a luz e projetar sombras.

Antes de mais nada, vamos explicar o conceito de sombra: ela é uma consequência natural de paredes opacas em um espaço iluminado. Em termos científicos, a luz brilha, os fótons viajam até baterem em um objeto que não conseguem transpassar, o que cria uma sombra, nada mais do que um pequeno pedaço de escuridão no qual a luz foi impedida de seguir adiante. É algo que nos acostumamos desde que somos pequenos.

Só que um laser, ao passar pelo material transparente certo, consegue forçar seus arredores a se tornarem opacos, como se ele estivesse projetando sua própria sombra. Se dois feixes de lasers forem projetados corretamente, o primeiro deles não passa pelo outro, o que cria uma linha sombreada na luz que atinge a superfície oposta.

O físico brasileiro Raphael Abrahão, do Laboratório Nacional de Brookhaven (EUA), é um dos responsáveis pela descoberta e questiona o que sabemos sobre as sombras. “Nossa demonstração de um efeito óptico muito contraintuitivo nos convida a reconsiderar nossa noção de sombra”, diz.

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Lasers, luzes e sombras

• Salvo em circunstâncias bem particulares, os fótons não interagem entre si, com ondas que se cruzam passando sem nenhum impedimento;
• Ao cruzar dois feixes de lasers, eles passarão um pelo outro como se não houvesse nenhum impedimento, quase como se um facho de lanterna incidisse sobre o outro;
• Foi então que Abrahão e colegar resolveram investigar se um feixe de luz seria capaz de lançar uma sombra, algo quase como se fosse um projeto paralelo;
• Isso porque o estudo principal deles era a respeito de como feixes de luz interagem quando materiais não lineares são introduzidos;
• As interações com a luz desses materiais não escalam linearmente, o que resulta em efeitos, como amplificação, absorção, autofoco e harmônicos (também conhecido como replicação de frequência).

Para gerar simples esquemas para os experimentos, a equipe usou modelagem 3D de um software, no qual o feixe de luz foi representado por um cilindro sólido que projetava uma sombra, algo, no mínimo, curioso. E foi o que eles pensaram.

“O que começou como uma discussão engraçada durante o almoço levou a uma conversa sobre a física dos lasers e a resposta óptica não linear dos materiais. A partir daí, decidimos conduzir um experimento para demonstrar a sombra de um feixe de laser”, prossegue Abrahão.

Para isso, o brasileiro e seus colegas utilizaram um rubi para servir de ponto de encontro para os dois lasers, sendo um verde e outro, vermelho. A pedra foi escolhida, pois é um material popular para o estudo de óptica não linear.

Enquanto a luz laser azul foi direcionada para um lado do rubi, no qual passou e lançou brilho frio sobre uma tela, um feixe estreito de luz laser verde passou perpendicularmente ao azul, vindo do outro lado.

Qualquer parte das moléculas do rubi que a linha fina de luz verde caía, acontecia uma “dança” complexa de elétrons, que subiam e desciam. Dessa forma, o comprimento de onda ligeiramente menor do laser azul era confundido pelos elétrons que estavam em transição, bloqueando seu caminho através do material. Antes, ele era translúcido.

Logo, o feixe de laser verde se comporta como um objeto e cria uma linha escura na luz azul, que incide em uma tela postada do outro lado do rubi. Tal linha escura detinha todos os critérios necessários para ser classificada como sombra:

• Era visível a olho nu;
• Se conformava aos contornos da tela na qual era projetada;
• Se movia com o feixe de laser verde quando a fonte de laser era movida.

Essa descoberta expande nossa compreensão das interações entre luz e matéria e abre novas possibilidades para utilizar a luz de maneiras que não havíamos considerado antes. Nossa compreensão das sombras se desenvolveu lado a lado com nossa compreensão da luz e da óptica.

Esta nova descoberta pode ser útil em várias aplicações, como comutação óptica, dispositivos nos quais a luz controla a presença de outra luz ou tecnologias que exigem controle preciso da transmissão de luz, como lasers de alta potência.

Raphael Abrahão, físico do Laboratório Nacional de Brookhaven (EUA)

O estudo será publicado na Optica e está disponível no servidor de pré-impressão arXiv.