Ferramenta de medição revolucionária explora propriedades quânticas da luz

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/05/2025

Medi??es com luz

F?sicos criaram uma nova ferramenta para usar a luz como instrumento de medi??o que promete leituras mais r?pidas e mais precisas do que todas as t?cnicas cl?ssicas e qu?nticas atualmente dispon?veis conseguem alcan?ar.

A nova ferramenta revolucion?ria foi projetada para fazer medi??es de precis?o em escala nanom?trica, lidando de modo aprimorado com o ru?do de fundo e com a perda ?ptica geralmente produzida pela pr?pria amostra que est? sendo analisada.

? uma tecnologia de interferometria ?ptica, uma t?cnica que usa a interfer?ncia entre ondas de luz para fazer medi??es, mas que vai al?m, tirando proveito das propriedades qu?nticas da luz - especificamente, do entrela?amento extremo de cores.

"Aproveitando a interfer?ncia qu?ntica e o entrela?amento qu?ntico, podemos fazer medi??es que, de outra forma, seriam dif?ceis com os m?todos existentes," disse Colin Lualdi, da Universidade de Illinois, nos EUA.

Al?m da largamente utilizada caracteriza??o de materiais, a ferramenta ter? aplica??es imediatas em diagn?sticos m?dicos, an?lise biol?gica e at? mesmo no monitoramento remoto de sistemas.

"Estamos tentando entender como podemos adaptar ainda mais essa tecnologia para que ela seja ?til em outras medi??es, observando filmes finos de amostras biol?gicas, por exemplo, em microscopia, e sermos capazes de combinar isso com outras modalidades de detec??o, como a microscopia de for?a at?mica," disse o professor Paul Kwiat.

Interferometria ?ptica cl?ssica

A interferometria ?ptica ? o padr?o ouro atual em medi??es de precis?o, utilizando as propriedades de interfer?ncia da luz descritas pela f?sica cl?ssica para medir dist?ncias min?sculas. Quando duas ondas de luz se encontram e seus picos e vales est?o alinhados, elas podem se somar, interferindo construtivamente para produzir uma onda resultante de maior amplitude. Se, por outro lado, os picos de uma onda estiverem alinhados com os vales da outra onda, elas se anulam, interferindo destrutivamente para produzir uma onda resultante de menor amplitude.

Na pr?tica, usa-se um laser para emitir um feixe de luz atrav?s de um divisor, que separa o feixe em dois. Uma onda de luz viaja por um bra?o vertical e a outra por um bra?o horizontal, atingindo um espelho na extremidade de cada bra?o, que as reflete de volta, sendo ent?o feita a medi??o de interfer?ncia (construtiva ou destrutiva).

Funciona bem, afinal, ? assim que um aparelho m?dico mede a espessura da retina, em busca de doen?as oculares, ou que detectamos as ondas gravitacionais. Mas tamb?m h? problemas: ? dif?cil analisar amostras finas que transmitem mal a luz, e a luz de fundo tamb?m pode vazar, enfraquecendo os sinais de interfer?ncia e diminuindo a sensibilidade da medi??o, da mesma forma que a luz saturada de uma foto superexposta dificulta a distin??o de detalhes.

Interferometria ?ptica qu?ntica

A interferometria vira qu?ntica quando substitu?mos os dois feixes de luz por dois f?tons, j? que as part?culas da luz mant?m algumas qualidades semelhantes ?s ondas, incluindo a interfer?ncia. Isso elimina as defici?ncia da ?ptica cl?ssica e adiciona novos recursos.

A natureza qu?ntica dessa medi??o supera o problema de medir materiais de baixa transmiss?o, uma vez que a intensidade da assinatura de interfer?ncia permanece inalterada porque a perda afeta ambos os f?tons igualmente. A luz de fundo tamb?m atrapalha menos, j? que quase toda a luz de fundo pode ser filtrada porque n?o chega dentro da estreita janela de tempo em que os dois f?tons chegam.

Ainda assim, nem tudo ? perfeito, Para alcan?ar uma sensibilidade nanom?trica com a interferometria qu?ntica de dois f?tons a medi??o precisa ser executada por horas, ou ent?o empregando f?tons com ampla largura de banda de cores - luz branca -, o que ? muito dif?cil de se fazer na pr?tica.

Interferometria com entrela?amento qu?ntico

A equipe resolveu este problema gerando o entrela?amento qu?ntico entre os dois f?tons - quando entrela?ados quanticamente, tudo o que acontecer a um dos f?tons afetar? imediatamente o outro, sem que eles precisem se reunir fisicamente. Ao entrela?ar uma propriedade dos f?tons, neste caso a cor, ? poss?vel usar os tradicionais f?tons de banda estreita (de cor pura), aumentando muito a sensibilidade do interfer?metro sem as dificuldades de ordem pr?tica.

Quanto maior a diferen?a nas cores dos f?tons entrela?ados, maior a sensibilidade do interfer?metro. Por exemplo, o entrela?amento entre f?tons de dois tons de vermelho, com uma diferen?a de comprimento de onda de meras dezenas de nan?metros, produz um sinal de interfer?ncia menos sens?vel do que entre um f?ton vermelho e um f?ton azul - este ?ltimo ? um exemplo de entrela?amento de cores extremo.

"Com o entrela?amento, precisamos trabalhar apenas com um pouco de azul e um pouco de vermelho, em vez de toda a gama de cores entre eles," explicou Lualdi - as cores de fato utilizadas s?o invis?veis ao olho humano, com comprimentos de onda de 810 e 1550 nan?metros.

Com o aparelho pronto e funcionando, a equipe agora est? se concentrando nas aplica??es pr?ticas. "Comparado a outros interfer?metros qu?nticos, nosso sistema mede mais r?pido e com maior precis?o, e agora temos a oportunidade de estudar sinais que variam no tempo, como vibra??es em escala nanom?trica, por exemplo," disse Lualdi - neste caso, as vibra??es referem-se a como os ?tomos individuais interagem uns com os outros, o que ? essencial para o projeto de novos materiais.

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