Comportamento emergente observado em si mesmo

Sep 25, 2023

18 de janeiro de 2023

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por Sam Sholtis, Universidade Estadual da Pensilvânia

Partículas de luz - fótons - que são forçadas a interagir umas com as outras através de um vidro especialmente estruturado demonstram um comportamento evocativo do "efeito Hall quântico fracionário", um fenômeno que conquistou o Prêmio Nobel de física de 1998 quando demonstrado com elétrons. Uma equipe de pesquisadores da Penn State demonstrou agora que o movimento da luz de um laser extremamente poderoso torna-se "fracionado" à medida que passa pelo vidro, uma propriedade emergente que aumenta nossa compreensão fundamental da física que emerge de ambientes complexos.

"Os elétrons são partículas carregadas e sua carga é uma constante fundamental da natureza", disse Mikael Rechtsman, professor associado de física na Penn State e líder da equipe de pesquisa. "No efeito Hall quântico fracionário, foi demonstrado que os elétrons que interagem uns com os outros sob certas condições se comportam como partículas com alguma fração dessa carga e podem potencialmente ser usados ​​para uma computação quântica mais robusta. Agora demonstramos um fenômeno que, embora fundamentalmente distinto da versão eletrônica, sugere que um tipo diferente de fracionamento pode ocorrer com a luz que interage consigo mesma."

Ao contrário dos elétrons, os fótons normalmente não interagem uns com os outros porque não têm carga. No entanto, se você tiver um laser forte o suficiente e o passar por um material que responda a esse poder, os fótons se comportarão como se estivessem interagindo, pois o material efetivamente medeia a interação entre eles. Em outras palavras, os fótons influenciam uns aos outros influenciando o material. Os pesquisadores projetam o material - vidro especializado com uma série de "guias de onda" complexamente estruturados que passam por ele como fibras ópticas - de modo que os fótons se agrupem em objetos chamados "solitons".

"Normalmente, a luz de um laser se espalha - ou difrata - de sua fonte, mas os sólitons não difratam", disse Rechtsman. "Eles se propagam através do vidro em algo como a velocidade da luz, mantendo uma largura fixa."

Os guias de onda são criados com unidades repetidas em duas dimensões. Primeiro, cada guia de onda individual – que é semelhante a uma fibra ótica – se move através do vidro em um padrão de ziguezagues e zags que se repetem periodicamente ao longo da direção da luz que viaja. Em segundo lugar, grupos dessas fibras que são idênticos entre si se repetem através do vidro em ambos os lados do feixe de laser.

Em trabalhos anteriores com um laser de potência comparativamente baixa, os pesquisadores mostraram que, à medida que os sólitons se propagavam através do vidro, eles podiam pular o padrão de guias de onda em múltiplos de números inteiros. Eles podem se mover para a direita em duas unidades e avançar uma unidade, o que seria uma mudança de dois sobre um, ou "dois positivos". Ou, por exemplo, eles poderiam pular para a esquerda uma unidade e avançar uma unidade para uma mudança de "negativo", mas a mudança era sempre um número inteiro.

"Agora, ao aumentar a potência do laser, estamos vendo mudanças fracionárias", disse Rechtsman. "Portanto, o sóliton pode se mover uma unidade enquanto avança duas - uma mudança de um sobre dois, ou meio. O interessante é que, embora elétrons e fótons sejam partículas completamente diferentes e as propriedades que estamos medindo sejam totalmente diferentes , em ambos os casos, quando forçamos as partículas a interagir cada vez mais fortemente, vemos o fracionamento. Infelizmente, saber disso não vai melhorar automaticamente os cabos de fibra ótica, mas ver essa propriedade emergente na luz, que é uma reminiscência da propriedade emergente vista em elétrons, está nos ajudando a entender melhor novos fenômenos emergentes em ambientes físicos complexos."