Os físicos quânticos estão familiarizados com fenômenos instáveis e aparentemente sem sentido: átomos e as moléculas às vezes agem como partículas, às vezes como ondas; partículas podem ser conectadas umas às outras por um “ação assustadora à distância”, mesmo em grandes distâncias; e os objetos quânticos podem se separar de suas propriedades como o Gato Cheshire de As aventuras de Alice no país das maravilhas se desprende de seu sorriso. Agora, pesquisadores liderados por Daniela Angulo, da Universidade de Toronto, revelaram outro resultado quântico estranho: fótons, ondas-partículas de luzpode gastar uma quantidade negativa de tempo percorrendo uma nuvem de átomos resfriados. Em outras palavras, os fótons podem parecer sair de um material antes de entrar nele.
“Levou uma quantidade positiva de tempomas nosso experimento observando que os fótons podem fazer com que os átomos pareçam passar uma quantidade de tempo *negativa* no estado excitado!” escreveu Aephraim Steinberg, físico da Universidade de Toronto, em um artigo. postar no X (antigo Twitter) sobre o novo estudoque foi carregado no servidor de pré-impressão arXiv.org em 5 de setembro e ainda não foi revisado por pares.
A ideia deste trabalho surgiu em 2017. Na época, Steinberg e um colega de laboratório, o então estudante de doutorado Josiah Sinclair, estavam interessados na interação entre luz e matéria, especificamente um fenômeno chamado excitação atômica: quando os fótons passam por um meio e são absorvidos, os elétrons girando em torno dos átomos nesse meio saltam para níveis de energia mais elevados. Quando esses elétrons excitados voltam ao seu estado original, eles liberam a energia absorvida na forma de fótons reemitidos, introduzindo um atraso no tempo de trânsito observado da luz através do meio.
A equipe de Sinclair queria medir esse atraso de tempo (que às vezes é tecnicamente chamado de “atraso de grupo”) e saber se ele depende do destino daquele fóton: ele foi espalhado e absorvido dentro da nuvem atômica ou foi transmitido sem qualquer interação? ? “Na época, não tínhamos certeza de qual seria a resposta e sentimos que uma pergunta tão básica sobre algo tão fundamental deveria ser fácil de responder”, diz Sinclair. “Mas quanto mais pessoas conversamos, mais percebemos que, embora cada um tivesse sua própria intuição ou palpite, não havia consenso entre especialistas sobre qual seria a resposta certa”. Dado que a natureza destes atrasos pode ser tão estranha e contraintuitiva, alguns investigadores consideraram o fenómeno como efetivamente sem sentido para descrever qualquer propriedade física associada à luz.
Após três anos de planejamento, sua equipe desenvolveu um aparelho para testar essa questão em laboratório. Seus experimentos envolveram disparar fótons através de uma nuvem de átomos de rubídio ultrafrios e medir o grau resultante de excitação atômica. Duas surpresas surgiram do experimento: Às vezes, os fótons passavam ilesos, mas os átomos de rubídio ainda ficavam excitados – e pelo mesmo tempo que se tivessem absorvido esses fótons. Mais estranho ainda, quando os fotões eram absorvidos, pareciam ser reemitidos quase instantaneamente, muito antes de os átomos de rubídio regressarem ao seu estado fundamental – como se os fotões, em média, estivessem a deixar os átomos mais rapidamente do que o esperado.
A equipe então colaborou com Howard Wiseman, físico teórico e quântico da Universidade Griffith, na Austrália, para elaborar uma explicação. O quadro teórico que surgiu mostraram que o tempo que esses fótons transmitidos passaram como uma excitação atômica combinava perfeitamente com o atraso de grupo esperado adquirido pela luz – mesmo para casos em que parecia que os fótons foram reemitidos antes que a excitação atômica tivesse diminuído.
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Para entender a descoberta absurda, você pode pensar em fótons como objetos quânticos difusos eles são, nos quais não é garantido que a absorção e reemissão de qualquer fóton por meio de uma excitação atômica ocorra durante um determinado período fixo de tempo; em vez disso, ocorre em uma faixa probabilística e borrada de valores temporais. Tal como demonstrado pelas experiências da equipa, estes valores podem abranger casos em que o tempo de trânsito de um fotão individual é instantâneo – ou, estranhamente, quando termina antes de a excitação atómica ter cessado, o que dá um valor negativo.
“Posso prometer-vos que ficámos completamente surpreendidos com esta previsão”, diz Sinclair, referindo-se ao confronto entre o atraso do grupo e o tempo que os fotões transmitidos passaram como excitações atómicas. “E assim que tivemos certeza de que não havíamos cometido um erro, Steinberg e o resto da equipe – eu mudei para fazer um pós-doutorado na [the Massachusetts Institute of Technology] a essa altura – comecei a planejar um experimento de acompanhamento para testar essa previsão maluca de tempo de permanência negativo e ver se a teoria se sustentaria.”
Esse experimento subsequente, liderado por Angulo e que Steinberg elogiou em X, pode ser entendido considerando as duas maneiras pelas quais um fóton pode ser transmitido. Em um deles, o fóton usa uma espécie de venda e ignora completamente o átomo, saindo sem sequer acenar com a cabeça. No outro, interage com o átomo, elevando-o a um nível de energia superior, antes de ser reemitido.
“Quando você vê um fóton transmitido, você não pode saber qual deles ocorreu”, diz Steinberg, acrescentando que, como os fótons são partículas quânticas no reino quântico, os dois resultados podem estar em sobreposição-ambas as coisas podem acontecer ao mesmo tempo. “O dispositivo de medição termina em uma superposição entre medir zero e medir algum pequeno valor positivo.” Mas correspondentemente, observa Steinberg, isso também significa que às vezes “o dispositivo de medição acaba em um estado que parece não como ‘zero’ mais ‘algo positivo’, mas como ‘zero’ menos ‘algo positivo’, resultando no que parece ser um sinal errado, um valor negativo, para este tempo de excitação.”
Os resultados da medição na experiência de Angulo e dos seus colegas sugerem que os fotões se moviam através do meio mais rapidamente quando excitavam os átomos do que quando os átomos permaneciam no seu estado fundamental. (Os fótons não estão comunicando nenhuma informação, então o resultado não contradiz a afirmação “nada pode viajar mais rápido que a luz” limite de velocidade definido por Teoria da relatividade especial de Einstein.)
“Um atraso de tempo negativo pode parecer paradoxal, mas o que significa é que se construíssemos um relógio ‘quântico’ para medir quanto tempo os átomos passam no estado excitado, o ponteiro do relógio, em certas circunstâncias, mover-se-ia para trás em vez de para a frente. “, diz Sinclair. Em outras palavras, o tempo em que os fótons foram absorvidos pelos átomos é negativo.
Embora o fenómeno seja surpreendente, não tem impacto na nossa compreensão do tempo em si — mas ilustra mais uma vez que o mundo quântico ainda tem surpresas reservadas.
“[Angulo] e o resto da equipe realizaram algo realmente impressionante e produziram um belo conjunto de medições. Os seus resultados levantam questões interessantes sobre a história dos fotões que viajam através de meios absorventes e necessitam de uma reinterpretação do significado físico do atraso de grupo na óptica,” diz Sinclair.
Uma versão deste artigo apareceu originalmente em espectro da ciência e foi reproduzido com permissão.
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