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Físicos constroem o primeiro (quase) laser acústico

terça-feira, 23 fev 2010; \08\UTC\UTC\k 08 Deixe um comentário Go to comments

Ontem foi publicado um par de artigos bem interessantes que talvez tenham sido as primeiras construções experimentais na direção de lasers acústicos, um sistema que utiliza das leis da mecânica quântica para produzir uma onda de som análoga ao feixe de laser de luz! Os experimentos foram dois diferentes, um realizado no Caltech nos EUA e outro na Universidade de Nottingham na Inglaterra (artigos técnicos aqui e aqui).

Um laser (de luz) é produzido por um fenômeno da mecânica quântica chamado de emissão estimulada. Pense por exemplo em um átomo de rubídio que pode estar em dois estados de energia E_a e E_b diferentes, com E_b > E_a. Se nós acoplarmos esse átomo com uma onda de freqüência \omega que não seja muito diferente da freqüência \omega_0 = (E_b - E_a)/\hbar, então existe tanto o fenômeno do átomo inicialmente no estado a ser excitado para o estado b como o fenômeno do átomo no estado b decair para o estado a. Quando o átomo é excitado, ele absorve energia da onda incidente, mas quando ele decai, ele fornece energia. Curiosamente, a probabilidade — em um modelo aproximado para esse sistema — é a mesma para tanto a excitação como para o decaimento ocorrer! Assim, ao fornecer constantemente a onda de freqüência \omega de fundo para um conjunto de átomos (a bomba como se diz no jargão), se inicialmente todos os átomos estavam no estado a eles são em conjunto excitados para b e em b devolvem uma outra onda de freqüência \omega_0, e ao repetir o processo várias vezes, o resultado é uma tremenda amplificação de energia que produz uma onda de freqüência \omega_0. Essa onda é o laser.

Mas ondas de luz e ondas de som tem várias similaridades, a começar pelo fato que na física clássica as duas são realizações físicas diferentes da solução de uma mesma equação — a equação da onda. E em mecânica quântica, ao fazer uma aproximação do movimento coletivo de átomos como um efeito de elasticidade contínua do material, tanto o som como a luz são descritos por equações similares. O análogo do fóton da luz para o som é o que se chama o fonon (é a partícula do fone, ora.). Então fica a pergunta natural:

É possível existir um laser de som?

Ou seja: é possível fazer átomos amplificarem um sinal de entrada com uma certa freqüência \omega criando uma onda de som de saída com freqüência bem definida, quase monofrequente, \omega_0 \approx \omega (próximo do valor de \omega) e espacialmente coerente? (Se você não sabe o que quer dizer coerente neste contexto, não se avexe). Até então isso parecia muito difícil na prática, com os processos de absorção dominando sobre os de emissão estimulada. Os dois grupos em questão parecem ter feito a primeira realização do laser de som que supera essa dificuldade.

Micrografia dos microtoróides de silica construídos pelo grupo do Caltech, original do artigo de Ivan Grudinin et al.

O grupo do Caltech construiu dois toróides de silica de poucos micrometros de diâmetro a uma pequena fração de seus raios de distância um do outro, ajustados para que um laser externo sirva de onda de fundo que excita um modo de vibração sonora dos dois toróides que é um estado excitado da ressonância acústica do sistema (ressonância acústica é aquele efeito que aconteceu na ponte de Tacoma, ou que permite a voz humana quebrar um copo de cristal). Os dois toróides então caem do estado excitado e emitem uma onda de som de freqüência de 21 MHz para o meio externo que é análoga a um laser (para comparação, o ouvido humano consegue captar som de freqüência no máximo mil vezes menor, ou seja, é mais agudo que a voz do André Matos). O efeito dessa onda de som é visto pelo acoplamento dos microtoroides com o laser, e não com um microfone (provavelmente porque seria impossível com microfones…). O grupo de Nottingham atacou o problema de forma diferente, e construiu um laser de som de freqüência de THz. Para isso eles empregam um semicondutor onde elétrons podem decair em uma cascata de estados de energia diferentes causando sempre uma perturbação sonora no sistema de mesma freqüência. Nesse segundo experimento, a amplificação sonora foi obtida, mas não o feixe de som coerente que caracterizaria melhor um laser.

No presente momento esse parece ser o primeiro passo em direção de dispositivos úteis para a indústria, medicina e instrumentação científica de ondas de som bem coerentes de alta freqüência. Por exemplo, como as ondas de som tem comprimento de onda relativamente pequeno em comparação com a onda de luz de mesma freqüência, com a mesma energia seria em princípio possível fazer imagens e medidas experimentais em materiais com resolução espacial melhor do que pode ser feita com luz.

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