Vem Aí o Feixe de Tração Reversível e de Longo Alcance

É uma cena clássica de obras de ficção científica: uma espaçonave está prestes a escapar das tropas inimigas, mas no último segundo é capturada por um feixe de tração. Presa por um lasso de fótons, a nave indefesa é arrastada até as garras de seus inimigos.

O uso de lasers para manipular objetos é mais normal do que você imagina. Eles são muito utilizados para mover objetos microscópicos utilizados em pesquisas de biologia, físico-química, e física da matéria condensada. Quanto menor a escala, maior a dificuldade em "tocar" um objeto; é como tentar colher um dente-de-leão com uma empilhadeira. A solução é mover as coisas usando a luz.

O feixe de tração — no qual os objetos são puxados por um feixe e não empurrados ou "espremidos" entre garras de laser — já existe experimentalmente, mas apenas em uma escala minúscula.

Agora, um time globalizado de pesquisadores de universidades dos Estados Unidos, Austrália e Qatar desenvolveu um feixe de tração capaz de mover pequenas esferas de vidro revestidas de ouro (de apenas um quinto de milímetro de diâmetro) por uma distância de dezenas de centímetros.

A pesquisa foi publicada na última edição da revista Nature Photonics, e descreve o processo de criação bem-sucedido de um "feixe de tração óptico e polarizador de longa distância". Além de atrair objetos, o time acrescenta, "ao mudar o estado de polarização do feixe podemos parar as esferas ou mudar sua direção como quisermos."

As garras de laser mencionadas acima são conhecidas como pinças ópticas. A ideia é basicamente transferir o momento linear presente em partículas de luz (fótons) para algum objeto. Mas as técnicas de transferência atuais ainda são muito limitadas.

Em primeiro lugar, só é possível mover um objeto dentro do "plano focal" do feixe — a luz que ele emite sobre alguma superfície. Além disso, essas experiências requerem o uso de vácuo ou líquidos com uma grande condutividade termal. Isso se deve ao fato de que qualquer material utilizado, seja ele líquido ou gasoso, pode bloquear as partículas.

O novo estudo apresenta uma solução elegante que envolve tanto a geometria do feixe quanto a polarização de suas partículas. O grupo, liderado por Vladlen Shvedov da Universidade Nacional da Austrália, trocou os feixes de luz normais por feixes em forma de donuts: um círculo com um centro vazio. Ao invés de luz, eles usaram o calor do próprio laser para mover as partículas de vidro.

A partícula manipulada pelo feixe é arrastada para o centro "escuro", e a direção para onde a partícula será movida depende da polarização do laser.

A medida que o feixe segue em uma direção, ele oscila em outra; isso é a polarização. Se alguém pegasse um elástico gigante e desse um peteleco nele, a energia iria viajar pelo elástico até o outro lado, mas também o faria balançar para cima e para baixo.

O que normalmente ocorre é a polarização radial, na qual a oscilação ocorre em um ângulo perfeito com o feixe. Isso pode ser observado na imagem da esquerda no diagrama abaixo.

Entretanto, existe outra possibilidade. É a polarização azimutal. Como pode ser observado na figura da direita, a polarização ainda ocorre em ângulos complementares ao do feixe, mas as direções são dispostas de forma que o feixe pareça estar circulando dentro de alguma órbita.

O resultado é uma forma de espiral, ou vórtice. Ao invés da energia do feixe atingir as esferas a partir de sua direção normal (a fonte de luz), ela as atinge no lado mais escuro (mais distante da fonte de energia do feixe), empurrando-as na direção oposta — como um feixe de tração atraindo algo para a nave-mãe.

Segundo a conclusão do estudo, "O feixe óptico regulável pode transportar partículas no ar por distâncias macroscópicas (isso é, alguma dezenas de centímetros)."

Tradução: Ananda Pieratti