Pela primeira vez, a luz imita um efeito quântico do Prêmio Nobel

Em termos simples, o campo magnético empurra elétrons carregados negativamente para um lado do condutor. Esse acúmulo de carga deixa uma borda carregada negativamente e a borda oposta carregada positivamente, criando uma diferença de tensão mensurável.

Durante muitos anos, os cientistas usaram este efeito como uma ferramenta confiável. Isso permite medir campos magnéticos com alta precisão e determinar os níveis de dopagem do material, ou seja, a adição de uma pequena quantidade controlada de impureza a um material puro para alterar a forma como ele conduz eletricidade.

Do efeito Hall clássico ao quântico

Durante a década de 1980, pesquisadores que estudavam condutores ultrafinos em temperaturas extremamente baixas fizeram uma descoberta surpreendente. Quando estes materiais semelhantes a folhas foram expostos a campos magnéticos muito fortes, a tensão lateral não aumentou suavemente. Em vez disso, subiu em etapas bem definidas.

Estas regiões planas, conhecidas como planaltos, revelaram-se universais. Não dependem da composição, forma ou imperfeições microscópicas do material. Seus valores são determinados apenas pelas constantes fundamentais da natureza: a carga do elétron e a constante de Planck.

Este fenômeno ficou conhecido como efeito Hall quântico. A sua importância foi rapidamente reconhecida, ganhando finalmente três Prémios Nobel de Física: em 1985, pela descoberta do efeito Hall quântico, em 1998, pela descoberta do efeito Hall quântico fracionário, e em 2016, pela descoberta das fases topológicas da matéria.

Por que a luz representou um grande desafio

Até recentemente, o efeito Hall quântico tinha sido observado principalmente em elétrons. Como os elétrons carregam carga elétrica, eles respondem diretamente aos campos elétricos e magnéticos. Os fótons, que são partículas de luz, não têm carga elétrica e, portanto, não reagem naturalmente a essas forças.

Como resultado, recriar o efeito Hall quântico com luz parecia extraordinariamente difícil.

Observando uma deriva quantizada de luz

Uma equipe internacional de pesquisadores alcançou agora esse objetivo ao demonstrar um desvio transversal quantizado da luz. Suas descobertas foram publicadas em Revisão Física X.

“A luz flutua de forma quantizada, seguindo passos universais análogos aos observados com electrões sob fortes campos magnéticos,” disse Philippe St-Jean, professor de física na Universidade de Montreal e co-autor do estudo.

O impacto potencial deste resultado é significativo. Na metrologia, a ciência da medição de precisão, os sistemas ópticos poderão um dia servir como um padrão de referência universal, possivelmente trabalhando junto ou mesmo substituindo os sistemas eletrônicos.

Implicações para medições e padrões

O efeito Hall quântico já desempenha um papel central na ciência moderna de medição.

“Hoje, o quilograma é definido com base em constantes fundamentais por meio de um dispositivo eletromecânico que compara a corrente elétrica com a massa”, explicou St-Jean. “Para que esta corrente seja perfeitamente calibrada, precisamos de um padrão universal para resistência elétrica.

“Os platôs quânticos de Hall nos dão exatamente isso. Graças a eles, todos os países do mundo compartilham uma definição idêntica de massa, sem depender de artefatos físicos.”

De acordo com St-Jean, obter um controle preciso e quantizado sobre como a luz flui poderia expandir as possibilidades não apenas na metrologia, mas também no processamento de informações quânticas. Pode até ajudar a criar computadores fotônicos quânticos mais resilientes.

Pequenos desvios da quantização perfeita também podem ser úteis. Mesmo pequenos desvios podem revelar perturbações ambientais subtis, abrindo a porta a novos tipos de sensores extremamente sensíveis.

Projetando o futuro da fotônica

“Observar uma partícula de luz quantizada é um desafio único, pois os sistemas fotônicos estão inerentemente fora de equilíbrio”, observou St-Jean. “Ao contrário dos elétrons, a luz exige controle, manipulação e estabilização precisos.”

A conquista da equipe dependeu de engenharia experimental avançada. Seu trabalho sugere novas oportunidades para projetar dispositivos fotônicos de próxima geração, capazes de transmitir e processar informações de maneiras novas e poderosas.