A luz tem uma mistura surpreendente de propriedades de raio, onda e partícula quântica que começam a ser manipuladas. Uma dessas propriedades, que aparece na chamada "luz torcida", pode ser a base de novos sistemas de comunicação mais eficientes e seguros.

Físicos italianos aprenderam a torcer a luz, fazendo feixes de luz laser atravessarem tipos diferentes de materiais.

M. Padgett/Univ. of Glasgow

Luz em parafuso. Cristal transforma ondas de luz planas em espirais duplas.

Lorenzo Marrucci, Carlo Manzo e Domenico Paparo, do Instituto Nacional de Física da Matéria (INFM), da Universidade de Nápoles, Itália, descrevem como na Physical Review Letters, de 28 de abril. Eles prepararam um cristal que funciona como uma "casa de câmbio". O cristal troca com a luz dois tipos de "moeda", chamados de momento angular de spin e momento angular orbital.

Os momentos que o cristal da equipe do INFM trocou com o feixe laser são quantidades que não se criam, nem se destroem. Eles são apenas trocados entre as coisas. Cada tipo diferente de momento gera um movimento diferente durante as trocas.

Quando um grão de poeira absorve uma partícula de luz, por exemplo, ela é empurrada para trás — resultado de uma troca de momento linear.

Já o efeito da troca de momento angular é fazer as coisas girarem. Os filmes microscópicos, abaixo, realizados por Miles Padgett, da Universidade de Glasgow, Escócia, em 2002, mostram a ação de um feixe laser concentrado em um grão de poeira, menor que um milésimo de milímetro. A poeira gira de dois modos diferentes.

M. Padgett/Univ. of Glasgow
Espanador de luz. Clique nas imagens para assistir aos filmes. O anel luminoso é um feixe laser disparado sobre um grão menor que um milésimo de milímetro. O grão gira em torno de si pela ao absorver momento angular de spin da luz (à esquerda). O grão orbita em torno do eixo do feixe laser ao absorver momento angular orbital da luz (à direita).

A marca registrada da troca do chamado momento angular de spin é fazer a poeira girar em torno de si mesma, como um pião. Se a poeira, além de girar em torno de si, orbita em torno do centro do feixe de luz, como a Terra orbita o Sol, quer dizer que houve troca de momento orbital angular.

Os pesquisadores italianos sabiam que os cristais dentro dos quais o caminho da luz depende da inclinação com que o feixe penetra — cristais anisotrópicos — interagem com a luz apenas dando e recebendo momento angular de spin. Também sabiam que os cristais dentro dos quais o caminho da luz depende do local onde o feixe penetra— cristais inomogêneos — interagem com a luz apenas dando e recebendo momento angular orbital.

Então eles se perguntaram: o que aconteceria se o cristal fosse anisotrópico e inomogêneo ao mesmo tempo? A experiência provou que, sim, acontece a troca de ambos tipos de momento angular.

O que deixou os pesquisadores surpresos é que as duas trocas no cristal líquido que construíram não são independentes. Estão interligadas.

No cristal, as trocas dos dois tipos de momento angular são sempre uma o contrário da outra. Se o cristal ganha duas unidades de spin da luz, o cristal transmite à luz a mesma quantidade, duas unidades, na forma de momento angular orbital. Ele é um cambista ideal: converte momento angular de spin em orbital para luz, sem ficar com nada para si.

Os pesquisadores atingiram o cristal com um feixe de luz laser violeta, do tipo que faria grãos de poeira girarem feito piões no sentido anti-horário.

O cristal torceu a luz, que saiu dele espiralando no sentido horário como uma hélice dupla.

Um grão de poeria atingido por essa luz "hélice dupla" não só giraria em torno de si no sentido horário, como também orbitaria em torno do eixo do feixe laser.

Marrucci nota que a habilidade de torcer controladamente a luz permitiria transmitir informação pelo número de "torcidas", que, em princípio, pode ser infinito.

Um sistema de comunicação baseado na torção da luz seria ainda naturalmente protegido contra espiões que tentassem inteceptar os sinais de luz. "A menos que esteja no centro do feixe torcido, de onde dá para visualizar toda a espiral, você não poderá acessar sua informação," explicou Padgett à New Scientist, em 2004. A equipe de Padgett construiu um protótipo que trasmite mensagens por um corredor de 30 metros, na Universidade de Glasgow, Escócia.

Johannes Courtial, também de Glasgow, entusiasmado com a descoberta da equipe de Marrucci, sugeriu em entrevista a David Lindley, do Physical Review Focus, que, se chegarmos ao "controle da interação entre o spin e o momento orbital de uma só partícula de luz, serão possiveis novos tipos de operações lógicas nos futuros computadores ópticos e quânticos."

(IZ)