Nobel de Física 2018: invenções inovadoras no campo da física de laser

O Prêmio Nobel de Física de 2018 contempla “invenções inovadoras no campo da física a laser”.

Metade do prêmio vai para Arthur Ashkin (Bell Laboratories, Holmdel, USA) “pela pinça óptica e sua aplicação a sistemas biológicos”. Dividem a outra metade do prêmio Gérard Mourou (École Polytechnique, Palaiseau, France University of Michigan, Ann Arbor, USA) e Donna Strickland (University of Waterloo, Canada) pelo “método de geração de pulsos ópticos ultra-curtos e de alta intensidade”.

Antes de tudo, o que é laser?

Laser pointer, aquela manjada canetinha laser (Fonte)

Para muita gente hoje em dia laser é aquela luzinha que sai daquela canetinha que usamos para apontar coisas. Não está errado. Mas é uma simplificação extrema de um fenômeno físico fantástico e revolucionário.

Devemos começar a entender o laser pela ideia de que a própria palavra é uma sigla: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Em português, laser quer dizer amplificação da luz pela emissão estimulada de radiação. E isso já diz muito sobre o que é, de fato, um laser.

Sem complicações, laser é luz, ou seja, é radiação (ou onda) eletromagnética. Mas, pela Física Quântica, também podemos dizer que a luz é feita de partículas chamadas fótons. Logo, uma fonte laser é também uma fonte de fótons.

No entanto, os fótons de uma fonte laser apresentam três características peculiares nada comuns em fontes de luz com as quais estamos acostumados a lidar:

1. São monocromáticos, ou seja, possuem uma única cor. Sendo um pouco mais técnico, são todos de mesma frequência f e, portanto, carregam a mesma energia E dada pela Quantização de Planck (E = h.f onde h é a constante de Planck);

2. São coerentes pois são emitidos sempre com a mesma fase, o que sem maiores complicações significa que as oscilações ocorrem em perfeita sincronia.

3. Estão colimados pois propagam-se de forma unidirecional, ou seja, praticamente concentrados numa única direção.

O segredo por trás de um laser está na excitação quântica dos elétrons que, ganhando uma dose ΔE de energia, saltam para camadas ou estados quânticos mais energéticos. Quando retornam para estados de menor energia, devolvem a energia ΔE ganha na forma de um fóton, um quantum de energia ou ainda, se preferir, um pacotinho de energia ΔE = h.f. Note que cada um dos fótons terá a frequência exata f = ΔE/h e por isso mesmo todos os fótons terão a mesma cor.

Albert Einstein está por trás dos lasers. Sim, ele de novo! Criativo, Einstein imaginou e teorizou que, além da emissão espontânea de luz — que é quando um elétron devolve na forma de um fóton a energia ΔE que ganhou saltando para um estado mais energético, fenômeno que acontece por acaso, deveria existir também uma emissão estimulada de luz pelos elétrons que interagissem um fóton. Desta forma seria possível que fóton vindo de um elétron estimulasse outro elétron a emitir outro fóton, criando um efeito em cascata para gerar uma luz especial composta de fótons monocromáticos e coerentes.

Na prática, a emissão laser funciona quando se consegue excitar um número mínimo de elétrons de determinado material para um estado de maior energia de modo a se obter uma situação peculiar no qual existem mais elétrons excitados do que elétrons no estado fundamental. Isso é conhecido na Física como inversão de população. A inversão de população é o ponto crítico que dá origem ao efeito em cascata de tal modo que o fóton emitido por um elétron estimula o elétron seguinte a emitir outro fóton e assim por diante. Essa reação em cadeia vai gerando um turbilhão de fótons, a tal da luz amplificada por emissão estimulada, e todos monocromáticos e coerentes. Genial, não?

Em 1953, Charles Hard Townes, James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziram o primeiro maser, um laser que emitia ondas invisíveis na faixa de microondas, daí no nome maser que significa microwave amplification through stimulated emission of radiation. Em 1960, Theodore Harold Maiman produziu o primeiro laser com um cristal de de rubi.

Para manter um material emitindo laser, em geral é criada uma cavidade óptica com espelhos, o que acaba por permitir a emissão de luz colimada além de monocromática e coerente. Mas a tecnologia de laser evoluiu bastante e alguns lasers mais modernos conseguem o mesmo efeito sem o uso de espelhos.

Entenda os trabalhos vencedores do Nobel 2018

Arthur Ashkin inventou as pinças ópticas capazes de apanhar partículas, átomos, vírus e até células vivas com seus "dedos" de luz laser. E trouxe para a realidade uma ferramenta que, usando a pressão da luz, é capaz de mover objetos físicos. Num "truque" genial, Ashkin conseguiu empurrar pequenas partículas para o centro do feixe e segurá-las por lá.

Um grande avanço veio em 1987 quando Ashkin usou as pinças para capturar bactérias vivas sem prejudicá-las. Imediatamente ele começou a estudar sistemas biológicos e a técnica das pinças ópticas está sendo amplamente utilizada para investigar o que está por trás da vida.

Gérard Mourou e Donna Strickland abriram o caminho para a geração dos pulsos de laser mais curtos e mais intensos já criados.

Num artigo revolucionário publicado em 1985, base da tese de doutorado de Strickland, uma abordagem engenhosa mostra como criar na prática pulsos de laser de alta intensidade e ultracurtos preservando o material amplificador.

A ideia consiste em esticar o pulso laser no tempo para reduzir o seu pico de potência. O feixe esticado é então amplificado e finalmente comprimido. Se um pulso é comprimido no tempo e se torna mais curto, então mais fótons são apertados num espaço minúsculo fazendo a intensidade do pulso
aumentar dramaticamente.

Esticar, amplificar e comprimir os pulsos. [Fonte: J. Jarnestad/Academia Real de Ciências da Suécia]

A técnica recém-inventada de Strickland e Mourou, chamada de CPA - chirped pulse amplification, logo se tornou padrão para lasers curtos de alta intensidade.

É na medicina que encontramos uma importante aplicação imediata desta luz pulsada que permite a realização de cirurgias oculares corretivas com feixes laser mais precisos. Na indústria os pulsos laser intensos e curtos também são importantes para realizar cortes mais precisos. Mas há inúmeras outras áreas de aplicação ainda não completamente exploradas.

Abraço do prof. Dulcidio. E Física na veia!

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Para saber mais

• The Nobel Prize in Physics
• Press Release (pdf, inglês)
• Popular Science Background (pdf, inglês)
• Vídeo

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Confira outros posts sobre o Nobel de Física desde 2006 publicados pelo Física na Veia! (UOL Ciência). Os posts anteriores a 2015 estão publicados na plataforma antiga do blog.

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