Revelando segredos de um fóton

Por Paula Borges Monteiro                                                                                                        Grupo de Estudos em Tópicos de Física – IFSC

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Paula - Figura IIO ano de 2015 foi escolhido pela UNESCO (Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura) como o “Ano Internacional da Luz e das Tecnologias Baseadas em Luz”. No conjunto de conhecimentos e princípios científicos relacionados à luz, temos a Fotônica, a ciência da produção, controle e detecção de “partículas da luz” que denominamos fótons. Smartphones, sensores de segurança, aparelhos médicos e outras tecnologias utilizadas em nosso dia-a-dia são baseadas na Fotônica. Este campo de pesquisa surgiu após o desenvolvimento do laser em 1960 e tem como objetivo usar a luz para realizar tarefas até então exclusivas da eletrônica.

A luz é caracterizada por elementos como sua intensidade, frequência e polarização. Detectores ópticos (de luz) são construídos de maneira a identificar alguma dessas características, em geral, a intensidade (quantidade de energia). A construção de um detector que fosse capaz de identificar um único fóton (uma quantidade mínima de energia) não foi uma tarefa simples e envolveu grupos de pesquisa em todo o mundo. Para se ter uma ideia do grau de dificuldade, nossos olhos precisam que pelo menos cinco fótons cheguem em menos de um décimo de segundo para que nosso cérebro os perceba como um sinal luminoso.

A partir do momento em que torna-se possível a detecção de um único fóton o desafio seguinte é a identificação de outras características relacionadas ao fóton como a sua polarização. Vamos imaginar o movimento do fóton representando por uma onda. Esta pode oscilar em qualquer direção, por exemplo, vertical e horizontal, como mostrado na figura. Se a direção de oscilação é vertical, dizemos que os fótons representados por aquela onda possuem polarização vertical. O mesmo vale para a direção horizontal.

Paula - FiguraA detecção da polarização da luz tem importantes aplicações, desde a realização de distribuição de chaves para a criptografia quântica (que já foi assunto neste blog em dezembro de 2014) à formação de imagens de tecidos tumorais. Por meio da caracterização da polarização da luz, grupos de pesquisa já detectaram a formação tumoral in vivo em tempo real.

Em abril de 2015, oito cientistas do Instituto de Microssistemas e Tecnologia de Informação de Xangai, China, publicaram na revista de acesso livre on-line Scientific Reports (dos editores da Nature), o trabalho “Single photon detector with high polarization sensitivity”, em português, “Detector de únicos fótons com alta sensibilidade à polarização”. O mecanismo de detecção é baseado no surgimento, ou não de uma resistência elétrica induzida em um fio de tamanho nanométrico (um metro dividido por 1.000.000.000). Quando iluminado por um fóton, o fio (de material semicondutor) pode absorver, ou não esse fóton e essas possibilidades induzem a resistência. O que caracteriza a absorção do fóton é a sua polarização. Assim, a partir da resistência do fio é possível identificar a polarização de cada fóton detectado. O trabalho ainda mostra a relação entre a sensibilidade da detecção e aspectos geométricos do nano fio, com a sua largura e inclinação.

A alta performance de detectores de um único fóton é medida, entre outras, pela sua eficiência de detecção, a taxa de contagem de ruído e a taxa de repetições. Ainda há muito a ser desenvolvido nessa área e espera-se que com programas como o “Ano Internacional da Luz”, cada vez as pessoas sejam esclarecidas da importância da óptica para nossa sociedade e mais interessados sejam atraídos para esse campo de pesquisa.

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