Um grupo de físicos europeus conseguiu algo inédito: assistir toda a vida de um fóton, do nascimento à morte, e em tempo real. A história da (breve) existência de uma unidade da partícula elementar responsável por fenômenos eletromagnéticos foi observada graças a uma engenhosa técnica.

O método, descrito na edição de 15 de março da Nature, permite que quantidades isoladas de luz possam ser monitoradas continuamente sem destruí-las e, segundo a revista, deve ajudar aqueles que estudam as fronteiras entre as físicas clássica e quântica.

Sistemas quânticos microscópicos podem saltar inesperadamente de um estado a outro. Um átomo, por exemplo, pode sair do repouso para um estado de excitação. Cientistas detectaram anteriormente pulos quânticos de elétrons, íons e outras partículas, mas ainda não haviam tido sucesso com fótons, que se alteram quando medidos.

Sébastien Gleyzes, do Departamento de Física da Escola Normal Superior, da França, e colegas conseguiram resolver o problema e mediram não apenas uma, mas cem vidas, de cem fótons. Para isso, tiveram que prender as partículas por tempo suficiente para que as medições pudessem ser feitas. Utilizaram um recipiente de 2,7 centímetros de largura, que chamaram de “caixa fotônica”, cujas paredes internas eram feitas de espelhos altamente refletivos e supercondutores.

O resultado impressiona, uma vez que os pesquisadores conseguiram conter fótons por até meio segundo, período que parece insignificante, mas que foi suficiente para que pudessem monitorar a vida das partículas – em estado livre, o tempo seria suficiente para um fóton percorrer, com folga, um terço da distância da Terra à Lua.

Outra dificuldade que tiveram de resolver estava na própria observação. De acordo com as leis do universo quântico, qualquer medição feita em um fóton causa um distúrbio que leva a partícula a mudar dramaticamente suas propriedades. Para contornar o problema os cientistas europeus empregaram a técnica de não-demolição, que envolveu o uso de um feixe de átomos de rubídio que cruzava constantemente o interior da caixa.

“Luz é uma onda eletromagnética e o campo elétrico do fóton altera os níveis de energia do átomo, mas sem dar a este chances de absorver energia do campo. Quando os átomos passaram pela área de interação, eles puderam ser analisados precisamente para verificar se um fóton estava ou não na caixa”, explicou Ferdinand Schmidt-Kaler, da Universidade de Ulm, na Alemanha, em comentário sobre a medição inédita na mesma edição da Nature.

“Como disse Richard Feynman [físico norte-americano, ganhador do Nobel de 1965], ‘nós não entendemos a mecânica quântica’, mas, como a conquista de Gleyzes e colegas acaba de mostrar, sabemos cada vez mais como lidar com ela em nossos experimentos”, disse. Para Schmidt-Kaler, a demonstração anunciada agora terá grandes implicações no campo da computação quântica.

O artigo Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity, de Sébastien Gleyzes e outros, pode ser lido por assinante da Nature.