Desde 2002, físicos teóricos e experimentais investigam ondas de luz “torcidas”, frentes de onda de formato espiralado, criadas a partir da manipulação de seu momento angular orbital intrínseco. Em 2007, pesquisadores descobriram a possibilidade de produzir o mesmo efeito com ondas de elétrons com momento angular orbital intrínseco. Agora, um trabalho com participação brasileira, publicado em abril na revista Physical Review Letters, investiga as propriedades dessas ondas, apresentando uma nova solução para a equação mais fundamental que descreve os elétrons, a equação de Dirac.
“Além do momento angular extrínseco, relacionado com a rotação do centro de gravidade, ondas de luz também carregam um momento angular de spin, a polarização, e também o momento angular orbital intrínseco, relacionado à rotação em torno do centro de gravidade”, explica o físico Irismar Gonçalves da Paz, da Universidade Federal do Piauí (UFPI), coautor do estudo. “As frentes de onda se propagam de forma espiralada, com densidade nula no centro do eixo de propagação.”
Ao resolverem a equação de Dirac para ondas carregando momento angular orbital intrínseco, Gonçalves da Paz e seus colegas Robert Ducharme e Armen Hayrapetyan obtiveram uma solução que leva os efeitos do spin dos elétrons e de altas energias, quando não é possível ignorar os efeitos da teoria da relatividade restrita.
“Encontramos um novo tipo de acoplamento entre o spin dos elétrons e seu do momento angular orbital intrínseco com o spin, responsável, por exemplo, pela conversão de momento angular de spin em orbital e vice-versa”, Paz explica. “O acoplamento também provoca um curvatura das frentes de fase de Gouy, diferentemente do conhecido, para o caso paraxial, por exemplo, em que as frentes de fase de Gouy eram planares.”
Paz acredita que as soluções discutidas podem gerar uma série de aplicações tecnológicas. Assim como as ondas de luz torcidas, as ondas de elétrons com momento angular orbital intrínseco poderiam ser utilizadas no desenvolvimento de instrumentos semelhantes às pinças ópticas e de novas tecnologias para transmissão e processamento de informação quântica.
A pesquisa foi realizada com apoio financeiro do CNPq.
Artigo científico
Fractional Angular Momenta, Gouy and Berry Phases in Relativistic Bateman-Hillion-Gaussian Beams of Electrons
Robert J. Ducharme, Irismar G. da Paz e Armen G. Hayrapetyan
Phys. Rev. Lett. 126, 134803 – 2 de abril de 2021
Contato para imprensa
Igor Zolnerkevic
Assessor de comunicação
comunicacao@sbfisica.org.br