Os jogadores de tênis de mesa podem virar a bola repentinamente, dando-lhe o giro certo. Esse movimento é causado pelo efeito Magnus, uma parte familiar da física que também afeta o voo de bolas grandes em esportes como o futebol.
Agora, uma equipe internacional que trabalha no Instituto Paul Scherrer PSI observou um efeito preocupante na escala atômica. Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram experimentalmente o efeito óptico Magnus focando a luz do laser em um íon e medindo como a luz interage com ele.
Em vez de mover um átomo ao longo de um caminho curvo, o efeito muda o local onde o laser interage mais fortemente com o íon. Esse ponto de interação se move ligeiramente para os lados, uma descoberta que pode ser importante para computadores quânticos que usam luz laser para controlar qubits com extrema precisão. Os resultados foram publicados artigo de revisão física.
A interação mais forte do laser ocorre ligeiramente fora do centro
À primeira vista, parece razoável esperar que um íon interaja mais fortemente com o laser no ponto mais brilhante do feixe. Mas quando a luz do laser é focada com muita força, a estrutura do seu campo eletromagnético torna-se mais complexa.
Devido a essa alteração na estrutura do campo, a interação mais forte não ocorre exatamente no centro do feixe. Em vez disso, parece ligeiramente para o lado. Este pequeno deslocamento lateral é o equivalente óptico do efeito Magnus, que faz com que uma bola de tênis de mesa giratória se curve no ar.
Essa pequena mudança pode ser crucial na computação quântica. Os lasers são frequentemente usados para alterar a posição dos qubits com altíssima precisão. Se o efeito óptico Magnus for ignorado, ele pode interferir nesse controle e contribuir para erros.
O mesmo efeito também pode ser útil. “As forças que gera podem ser usadas para se unirem, permitindo cálculos mais complexos”, explica o primeiro autor Philipp Leyendecker, do Centro PSI para Ciência de Fótons e do Departamento de Física da ETH Zurique.
Usando um único íon para mapear a luz do laser
Para detectar o efeito, os pesquisadores usaram um único íon de cálcio como sonda extremamente sensível. Átomos eletricamente carregados foram mantidos quase imóveis na armadilha de íons, que usa campos eletromagnéticos para manter os íons no lugar.
Os íons aprisionados também são amplamente utilizados na computação quântica. Eles podem atuar como qubits, e seus estados quânticos são manipulados usando pulsos de laser cuidadosamente controlados.
No experimento, a equipe moveu um íon de cálcio através de diferentes partes de um feixe de laser bem focado e mediu a intensidade com que ele interagiu com a luz em cada posição.
“Nosso íon atua como um pequeno sensor que podemos usar para detectar a estrutura da luz laser”, explica Leindecker. “Isso torna possível medir mudanças de apenas algumas centenas de nanômetros.”
As medições revelaram outra característica surpreendente. O tamanho da mudança lateral depende apenas do comprimento de onda da luz, e não da concentração do feixe de laser.
Pesquisadores da Universidade de Amsterdã previram teoricamente o efeito óptico Magnus há vários anos. Usando um íon de cálcio aprisionado como sonda microscópica, a equipe observou agora o efeito experimentalmente pela primeira vez e mediu seu comportamento com mais detalhes.
