Dois físicos brasileiros participaram de uma equipe internacional de pesquisadores que conseguiu, pela primeira vez, isolar e medir com precisão as vibrações na superfície de um espelho, geradas quando um feixe de luz bate em sua superfície e é refletido de volta. A pesquisa avança o conhecimento sobre as forças que a luz exerce em objetos em nível microscópico, essencial para o desenvolvimento da nanotecnologia.
As vibrações causadas pelo empurrão da luz refletida no espelho são ondas elásticas, como aquelas geradas nos terremotos, só que muito menores: fazem a superfície de um espelho subir e descer apenas alguns picometros — comprimentos 100 milhões de vezes menores que a espessura de um fio de cabelo. “O grande avanço de nosso trabalho foi conseguir detectar deformações criadas pelo momento da luz em um sólido na escala de picometros”, diz Nelson Astrath, físico da Universidade Estadual de Maringá (UEM).
Em parceria com os pesquisadores Kenneth Chau e Max Bethune-Waddell, da Universidade da Columbia Britânica, no Canadá, Astrath e o físico Gustavo Lukasievicz, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) desenvolveram simulações computacionais detalhadas que permitiram compreender os resultados obtidos nos experimentos realizados pelos físicos Tomaž Požar, Jernej Laloš, Aleš Babnik e Rok Petkovšek, da Faculdade de Engenharia de Ljubjana, na Eslovênia.
O principal desafio dos experimentos foi diminuir ao máximo a absorção de luz pelo espelho, para evitar que sua superfície se movesse devido ao aquecimento pela luz absorvida. Lukasievicz explica que, em um espelho normal, esse aquecimento pode provocar vibrações da ordem de nanômetros, mil vezes maiores que as oscilações provocadas pela absorção de momento da luz.
A equipe de Požar construiu um espelho especial, capaz de refletir 99,93% da luz incidente, isolado acústica e termicamente. A equipe também desenvolveu sensores piezoelétricos extremamente sensíveis para captar as vibrações mecânicas na superfície do espelho e convertê-las em um sinal elétrico.
Pinças ópticas mais precisas
Não é novidade que a luz pode empurrar objetos ou, em outras palavras, que a luz carrega momento, ainda que muito pequeno, e é capaz de transferi-lo para a matéria. No começo do século XX, os físicos começaram a debater sobre como usar a teoria do eletromagnetismo para calcular as forças que o momento da luz exerce na matéria. O debate sobre qual seria a formulação mais precisa para essas forças continua até hoje.
“Existem cinco formulações para a força da luz na matéria, todas plausíveis”, explica Astrath. Suas simulações detalhadas comprovaram que todas as cinco formulações conhecidas descrevem bem as oscilações na superfície do espelho provocadas pela reflexão do feixe laser.
Animados pela precisão alcançada pelos sensores desenvolvidos neste trabalho, Astrath, Lukasievicz e seus colaboradores pretendem agora observar a transferência de momento de um feixe laser no interior de um meio líquido. Em experimentos sendo realizados no Brasil, semelhantes aos que realizaram em 2014, eles esperam descobrir qual das cinco formulações seria a mais adequada nesse caso.
Conhecer a melhor formulação permitiria projetar com mais precisão os feixes laser das chamadas pinças ópticas, instrumentos que utilizam a força da luz para manipular moléculas biológicas, como o DNA e as proteínas. “O desenvolvimento dessa tecnologia daria um salto enorme”, afirma Astrath.
A pesquisa pesquisa foi realizada com financiamento do CNPq, CAPES, Fundação Araucária, NSERCC e ARRS. Os resultados foram publicados em artigo na revista Nature Communications (acesso livre).