A intimidade da materia

Interação entre luz e matéria chega ao nível dos fótons e átomos individuais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/10/2019

 Ilustração esquemática do experimento - a interação se dá entre um átomo artificial e um único fóton. [Imagem: Universidade da Basileia/Departamento de Física]

Interação luz-matéria

Físicos conseguiram criar uma interface entre a luz e a matéria na qual uma cavidade microscópica permite a interação eficiente entre um átomo e um fóton.

Dentro dessa cavidade, um único fóton é emitido e absorvido até 10 vezes por um átomo artificial, o que abre novas perspectivas para as tecnologias quânticas.

A conversão de um quantum de energia emitido por um ponto quântico para um fóton e vice-versa é bem fundamentada na teoria, mas "ninguém nunca havia observado essas oscilações tão claramente antes," disse o professor Richard Warburton, da Universidade de Basileia, na Suíça.

Fóton conversando com átomo

Conseguir uma interação entre um único fóton e um único átomo é um enorme desafio devido ao pequeno tamanho do átomo. No entanto, ficar enviando fótons rumo ao átomo várias vezes por meio de espelhos aumenta significativamente a probabilidade de uma interação.

Normalmente, as partículas de luz voam em todas as direções, como quando saem de uma lâmpada. Por isso, os pesquisadores usaram um emissor de fótons únicos, posicionando um ponto quântico em uma cavidade com paredes reflexivas. Os espelhos curvos refletem cada fóton emitido até 10.000 vezes, causando uma interação entre a luz e a matéria.

Os pontos quânticos são como átomos artificiais. Essas estruturas semicondutoras são formadas por dezenas de milhares de átomos, mas todos se comportam como se fossem um único átomo: quando são opticamente energizados, seu estado de energia muda e eles emitem um fóton.

As medições mostram que um único fóton é emitido e absorvido até 10 vezes pelo ponto quântico. No nível quântico, o fóton é transformado em um estado de energia mais alto do átomo artificial, momento no qual um novo fóton é criado. E isso acontece muito rapidamente, o que é muito desejável em termos de aplicações tecnológicas quânticas: um ciclo dura apenas 200 picossegundos.

Tecnologias quânticas

O experimento é particularmente significativo porque não há interações fóton-fóton diretas na natureza. No entanto, é necessária uma interação controlada para uso no processamento quântico de informações.

Ao transformar a luz em matéria, uma interação entre fótons individuais se torna indiretamente possível, o que se dá através do desvio de um entrelaçamento entre um fóton e o spin de um único elétron preso no ponto quântico. Se vários desses fótons estiverem envolvidos, torna-se possível criar portas quânticas por meio dos fótons entrelaçados.

Este é um passo vital na geração de qubits fotônicos, que podem armazenar informações por meio do estado quântico das partículas de luz e transmiti-las por longas distâncias.

Bibliografia:

Artigo: A gated quantum dot strongly coupled to an optical microcavity
Autores: Daniel Najer, Immo Söllner, Pavel Sekatski, Vincent Dolique, Matthias C. Löbl, Daniel Riedel, Rüdiger Schott, Sebastian Starosielec, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Nicolas Sangouard, Arne Ludwig, Richard J. Warburton - Revista: Nature - DOI: 10.1038/s41586-019-1709-y