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

Quando perguntamos a um amigo ou familiar que realiza um trabalho de pesquisa sobre o seu objeto de investigação, muitas vezes a pergunta seguinte que vem à mente é: isso serve para o quê? Pois bem, essa pergunta também poderia ter sido feita em 1960, quando foi apresentado o primeiro laser, palavra originada da sigla para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Hoje, a luz laser é utilizada na indústria, na medicina, nos sistemas de comunicação, segurança etc.

O laser, como a tradução nos diz, é a amplificação de luz por emissão estimulada de radiação, ou seja, um material é estimulado a emitir energia em forma de radiação eletromagnética (feixe de luz) e essa emissão é amplificada. A luz gerada possui características especiais, entre elas: (a) a luz é aproximadamente monocromática (apresenta uma “cor” definida) e (b) a luz é colimada (sua propagação apresenta um perfil parecido ao de um espaguete). Podemos comparar a caixa onde a emissão da luz é estimulada a uma máquina de fazer macarrão. Há diferentes tipos de lasers, como os de gás e os de estado sólido, dependendo do material a ser estimulado, mas todas elas produzem luz espaguete. É interessante ressaltar que o nome laser é associado ao dispositivo que realiza a produção do feixe de luz e não ao feixe em si.

Em 1992, foi demonstrado que o feixe de luz laser poderia ter outra característica interessante: apresentar momento angular orbital. O momento angular orbital está relacionado à rotação em torno de um eixo. Um feixe de luz com momento angular orbital pode, por exemplo, fazer uma micropartícula girar. Além disso, a presença de momento angular orbital torna o feixe de luz mais “complexo”, de maneira que, quando usado para comunicação, por exemplo, ele aumenta a capacidade de armazenamento de informação. O perfil de propagação do feixe de luz com momento angular orbital assemelha-se ao de um fusilli.

Mas como produzir a luz fusilli? Há diferentes métodos para obter feixes com momento angular orbital, mas, em geral, utiliza-se elementos ópticos como lentes, telas de cristal líquido ou figuras impressas em placas transparentes no caminho de propagação do feixe de luz. Contudo, existem dificuldades de geração, como o alinhamento dos elementos ópticos e a diminuição da intensidade da luz após o processo. Não seria fácil enrolar um espaguete já pronto para produzir um fusilli.

Representação de um feixe de luz laser com momento angular orbital sendo gerado a partir de um feixe de luz laser comum e uma máscara. O feixe gerado pode ser usado para girar partículas como a esfera representada.

Em março de 2016, a revista Nature Photonics publicou o trabalho “Controlled generation of higher-order Poincaré sphere beams from a laser” (geração controlada de feixes de um laser de alta ordem da esfera de Poincaré), desenvolvido por pesquisadores da África do Sul e da Itália. A esfera de Poincaré é uma representação geométrica de diferentes feixes de luz, e feixes de alta ordem são os feixes com momento angular orbital. Assim, o que os cientistas apresentaram foi a geração controlada de feixes de luz do tipo fusilli, de forma que não precisamos mais enrolar a luz espaguete para obter o mesmo efeito. Para atingir esse resultado, a máquina de macarrão é modificada. Elementos ópticos que podem ser controlados externamente são introduzidos dentro da cavidade do laser. A pesquisa apresenta o primeiro laser que gera feixes de luz com momento angular orbital, ou seja, o feixe de luz é gerado na fonte! Todos os elementos utilizados no caminho de propagação do feixe não seriam mais necessários e problemas como o alinhamento dos mesmos seriam dificuldades descartadas.

Esse trabalho abre caminho para a construção de novos lasers que estruturam o perfil do feixe com controle geométrico dentro da cavidade. As inovações tecnológicas decorrentes do progresso na geração de feixes com momento angular orbital envolvem diversos campos, desde a medicina à comunicação segura. Como o mundo real e a ficção muitas vezes andam juntos, podemos esperar que, além de cortar e perfurar, as espadas brilhantes dos filmes de ficção científica podem começar a laçar e girar objetos.