Pela primeira vez na história, imagem mostra a luz como onda e partícula ao mesmo tempo

Dualidade onda-partícula

Os físicos têm teorizado por mais de um século que a luz funciona como uma partícula e uma onda, dependendo das condições, mas nunca fui capaz de capturá-lo sendo dois ao mesmo tempo - até que uma equipe da Suíça fez exatamente isso em uma experiência recente. Cientistas da Ecole Polytechnique Federale de Lausanne conseguiram tirar um instantâneo de luz em toda a sua indescritível dualidade onda-partícula, uma forma inicialmente proposta por Einstein em 1905 no efeito fotoelétrico (apresentado no artigo que lhe rendeu o Nobel de física) e mais tarde, e concluída em 1924 pelo físico francês Louis de-Broglie.

Quando a luz UV atinge uma superfície de metal, que provoca uma emissão de elétrons . Albert Einstein explicou isso no efeito "fotoelétrico", propondo que a luz - pensado para ser apenas uma onda - é também um fluxo de partículas, além disso, a A Mecânica quântica nos diz que a luz pode se comportar simultaneamente como uma partícula ou uma onda. Há uma variedade de experimentos que têm observado com sucesso tanto o comportamento de partículas, quanto de luz, mas nenhum deles conseguiu captar as duas variedades ao mesmo tempo, até o momento.

O experimento

Crédito: Fabrizio Carbono / EPFL

Uma equipe de investigação liderada por Fabrizio Carbone na EPFL realizou um experimento com um toque inteligente: usando elétrons à luz da imagem. Os pesquisadores capturaram, pela primeira vez na história, um único instantâneo de luz comportando simultaneamente como uma onda e um fluxo de partículas.

O experimento foi configurado dessa forma: um pulso de luz laser é disparado em pequenos nanofios metálicos. O laser adiciona energia para as partículas carregadas na nanofio, causando-lhes uma vibração. A luz viaja ao longo deste minúsculo fio em duas direções possíveis, como carros em uma rodovia. Quando as ondas que viajam em direções opostas, ela formam uma nova onda que parece que está de pé no lugar. Aqui, esta onda estacionária se torna a fonte de luz para o experimento, irradiando em torno do nanofio.

Este é o lugar onde o truque do experimento vem: Os cientistas dispararam um fluxo de elétrons perto do nanofio, utilizando-os para a imagem da onda estacionária de luz. Como os elétrons interagem com a luz confinada no nanofio, eles aceleram ou desaceleram. Utilizando o microscópio de imagem ultra-rápida para a posição em que esta alteração na velocidade ocorreu, a equipe de Carbone pode agora visualizar a onda estacionária, o qual atua como uma impressão digital da natureza da onda da luz.

Embora este fenômeno mostre a natureza ondulatória da luz, simultaneamente demonstra seu aspecto de partícula também. À medida que os elétrons passam perto da onda estacionária de luz, eles "batem" nas partículas de luz, os fótons. Como mencionado acima, isto afeta a sua velocidade, tornando-se  mais rápido ou mais lento. Esta mudança de velocidade aparece como uma troca de  "pacotes" de energia (quanta) entre elétrons e fótons. A própria ocorrência destes pacotes de energia que mostra a luz sobre o nanofio se comporta como uma partícula.

Implicações tecnológicas

"Esta experiência demonstra que, pela primeira vez, podemos filmar a mecânica quântica - e sua natureza paradoxal - diretamente ", diz Fabrizio Carbone. Além disso, a importância deste trabalho pioneiro pode se estender para além da ciência fundamental e para tecnologias futuras. Como Carbone explica: "Ser capaz de controlar imagens de fenômenos quânticos em escala nanométrica como este, abre uma nova rota para a computação quântica."

O trabalho da descoberta foi publicado na Nature Comunications

Fontes: Phys, Scoop

Jornal de referência: observação simultânea da quantização e o padrão de interferência de um campo próximo plasmonic" Nature Communications 2 março de 2015. DOI: 10.1038 / ncomms7407