Luz sai pulando de lado, exatamente como os elétrons

Derrapagem de elétrons

É surpreendente, mas físicos descobriram que os fótons, que são eletricamente neutros e não têm componente magnético, obedecem aos campos elétricos e magnéticos virtualmente do mesmo modo que os elétrons.

Quando uma corrente elétrica passando por um material é submetida a um campo magnético perpendicular, gera-se uma tensão elétrica na transversal daquela corrente. Esse fenômeno, conhecido como efeito Hall, ocorre porque o campo magnético faz com que os elétrons, que são carregados negativamente, se desloquem lateralmente, criando uma carga negativa em uma das extremidades da faixa condutora e uma carga positiva no lado oposto.

É uma autêntica derrapagem de elétrons.

Há décadas, essa diferença de voltagem tem sido usada como ferramenta de diagnóstico para medir campos magnéticos com precisão e caracterizar os níveis de dopagem de materiais, ou seja, o efeitos da adição de uma quantidade minúscula e controlada de impurezas a um material puro, para alterar a forma como ele conduz eletricidade – a dopagem é um elemento central na fabricação de transistores e outros componentes semicondutores.

Já nos anos 1980, descobriu-se um efeito Hall quântico: Em temperaturas ultrabaixas e com condutores ultrafinos, campos magnéticos intensos fazem com que essa diferença de potencial aumente não em linha reta, mas em etapas perfeitamente definidas. O efeito fica quantizado, ou seja, em vez de derrapar continuamente, os elétrons quicam, mas seguindo a mesma direção.

Esses fenômenos são universais, independentemente da composição, da forma ou mesmo de defeitos microscópicos nos materiais. Eles dependem exclusivamente de constantes fundamentais do Universo: A carga do elétron e a constante de Planck (h), que rege a relação entre energia e frequência.

Derrapagem de fótons

Agora, uma equipe internacional de físicos conseguiu pela primeira vez observar esses mesmos efeitos na luz, mostrando que eles são em tudo similares ao que acontece envolvendo a corrente elétrica. A diferença é que, em vez de elétrons, o efeito envolve os fótons.

Isso é curioso porque, enquanto a carga dos elétrons os torna sensíveis a campos elétricos e magnéticos, os fótons são partículas eletricamente neutras e, portanto, imunes a essas forças. Contudo, o experimento comprovou uma deriva transversal quantizada para a luz.

As implicações dessa descoberta são vastas. Por exemplo, na metrologia, a ciência das medições, os sistemas ópticos podem se tornar um padrão universal, complementando ou substituindo os sistemas eletrônicos. De fato, o efeito Hall quântico dos elétrons já foi aplicado em metrologia.

“Hoje, o quilograma é definido com base em constantes fundamentais, utilizando um dispositivo eletromecânico que compara a corrente elétrica à massa. Para que essa corrente seja perfeitamente calibrada, precisamos de um padrão universal de resistência elétrica,” detalhou Philippe St-Jean, da Universidade de Montreal (Canadá). “Os platôs do efeito Hall quântico nos fornecem exatamente isso. Graças a eles, todos os países do mundo compartilham uma definição idêntica de massa, sem depender de artefatos físicos.”

Computação quântica e precisão

O controle quantizado de um fluxo de luz também pode abrir novos horizontes em outras áreas, como na computação quântica, podendo inclusive viabilizar computadores quânticos fotônicos, baseados em luz, que se acredita poderem ser mais resilientes, menos sujeitos a erros.

Além disso, um ligeiro desvio dessa quantização perfeita da luz pode sinalizar perturbações ambientais específicas, possibilitando o desenvolvimento de sensores extraordinariamente precisos.

Mas isso exigirá o desenvolvimento de tecnologias específicas para tirar proveito do efeito Hall quântico fotônico. “Observar a deriva quantizada da luz é um desafio singular, já que os sistemas fotônicos são inerentemente fora do equilíbrio,” observou St-Jean. “Ao contrário dos elétrons, a luz exige controle, manipulação e estabilização precisos.”