O formato de um fóton, a partícula fundamental da luz, foi um mistério durante décadas, com cientistas se perguntando como seria a sua estrutura. Embora a intuição nos leve a pensar em partículas como pequenas esferas, a realidade é bem mais complexa.
O fóton não é uma partícula no sentido clássico, nem uma onda no sentido tradicional; ele é uma excitação de um campo eletromagnético, essencialmente uma “informação”.
Agora, uma nova teoria desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, permite pela primeira vez modelar com precisão o formato de um fóton, oferecendo uma nova visão sobre a luz e suas interações no nível quântico.
Ben Yuen e Angela Demetriadou, cientistas responsáveis pelo estudo, cujo artigo foi publicado na revista Physical Review Letters, investigaram como as partículas individuais de luz interagem com átomos, moléculas e seu ambiente.
Propagação pelo espaço
Com um nível de detalhamento sem precedentes, eles conseguiram descrever como os fótons são emitidos e como se propagam pelo espaço. Esse modelo permitiu mapear as excitações do campo eletromagnético, o que, por sua vez, possibilitou a visualização do formato do fóton.
Uma das grandes dificuldades no estudo dos fótons é que as interações entre luz, matéria e ambiente podem ser infinitas, o que torna a modelagem dessas interações extremamente complexa.
Para lidar com isso, os físicos organizaram essas possibilidades em conjuntos distintos, o que facilitou a compreensão do processo.
O modelo desenvolvido por Yuen e Demetriadou não só descreve como os fótons interagem com seus emissores, mas também como essa energia se propaga para o “campo distante”, ou seja, a luz que não é visível aos nossos olhos.
“Nossos cálculos nos permitiram converter um problema aparentemente insolúvel em algo que pode ser computado. E, quase como um subproduto do modelo, fomos capazes de produzir esta imagem de um fóton, algo que nunca foi visto antes na física”, explica Yuen.
Essa descoberta tem implicações tanto para a física quântica quanto à ciência dos materiais.
Interação com matéria
Ao entender melhor como os fótons interagem com a matéria e com outros elementos do ambiente, será possível projetar novas tecnologias, como as nanofotônicas — fundamentais para a comunicação segura, detecção de patógenos e controle de reações químicas em nível molecular.
“A geometria e as propriedades ópticas do ambiente têm consequências profundas sobre como os fótons são emitidos, incluindo a definição da sua forma e cor e até mesmo a probabilidade de existência dos fótons”, destaca Demetriadou.
Inovação no futuro
Os cientistas ressaltam que o modelo também possibilita o aproveitamento de informações que, antes, eram descartadas. “Muitas dessas informações eram consideradas apenas ‘ruído’, mas agora podemos entender e usar”, revela Yuen.
Os avanços, segundo o físico, estabelecem as bases para futuras inovações, como melhores sensores, células fotovoltaicas mais eficientes e, quem sabe, até novas formas de computação quântica — campo multidisciplinar que compreende ciência da computação, física e matemática.
Esse tipo de computação utiliza a mecânica quântica para resolver problemas complexos mais rapidamente se comparados aos dispositivos tradicionais.
