No final de 1800, os físicos descobriram o que hoje é chamado de efeito Hall. Isso ocorre quando uma corrente elétrica flui através de um material quando um campo magnético é aplicado em ângulo reto. Sob estas condições, uma tensão aparece no material do lado circundante.
Simplificando, o campo magnético empurra os elétrons carregados negativamente para um lado do condutor. Esse acúmulo de carga faz com que uma extremidade fique carregada negativamente e a extremidade oposta fique carregada positivamente, criando uma diferença de tensão mensurável.
Durante muitos anos, os cientistas usaram este efeito como uma ferramenta confiável. Isso permite medir campos magnéticos com alta precisão e determinar o nível de dopagem do material, ou seja, adicionar uma pequena e controlada quantidade de impureza a um material puro para alterar a forma como ele conduz eletricidade.
Efeito Hall clássico a quântico
Na década de 1980, pesquisadores que estudavam condutores ultrafinos em temperaturas extremamente baixas fizeram uma descoberta surpreendente. Quando estes materiais em forma de folha foram expostos a um campo magnético muito forte, a tensão lateral não aumentou suavemente. Em vez disso, cresceu em etapas bem definidas.
Essas áreas planas conhecidas como planaltos tornaram-se universais. Eles não dependem da estrutura, formato ou imperfeições microscópicas do material. Seu valor é determinado apenas pelas constantes fundamentais da natureza: carga do elétron e constante de Planck.
Este fenômeno ficou conhecido como efeito Hall quântico. A sua importância foi rapidamente reconhecida, acabando por ganhar três Prémios Nobel de Física: em 1985, pela descoberta do efeito Hall quântico, em 1998, pela descoberta do efeito Hall quântico fracionário, e em 2016, pela descoberta das fases topológicas da matéria.
Por que a iluminação representa um grande desafio
Até recentemente, o efeito Hall quântico era observado principalmente em elétrons. Como os elétrons carregam carga elétrica, eles respondem diretamente aos campos elétricos e magnéticos. Os fótons, que são partículas de luz, não possuem carga elétrica e, portanto, não reagem naturalmente a essas energias.
Como resultado, reproduzir o efeito Hall quântico com luz revelou-se extraordinariamente difícil.
Observando um desvio quantizado de luz
Uma equipe internacional de pesquisadores alcançou agora esse objetivo ao demonstrar um desvio transversal medido da luz. Suas descobertas foram publicadas Exame físico x.
“A luz flui de maneira quantificável, seguindo os passos universais observados com os elétrons sob fortes campos magnéticos”, disse Philippe Saint-Jean, professor de física na Universidade de Montreal e coautor do estudo.
As implicações potenciais dessas descobertas são significativas. Na metrologia, a ciência da medição de precisão, os sistemas ópticos poderão um dia servir como um padrão de referência universal, talvez trabalhando junto ou substituindo os sistemas eletrônicos.
Implicações para medição e padrões
O efeito Hall quântico já desempenha um papel central na ciência moderna de medição.
“Hoje, o quilograma é definido em termos de constantes fundamentais por meio de um dispositivo eletromecânico que compara a corrente elétrica com a massa”, explicou Saint-Jean. “Para calibrar totalmente esta corrente, precisamos de um valor universal para a resistência elétrica.
“Os planaltos do Quantum Hall nos dão exatamente isso. Graças a eles, todos os países do mundo compartilham uma definição comum de massa sem depender de artefatos físicos.”
Alcançar um controle preciso e mensurável sobre como os fluxos de luz poderiam expandir as possibilidades não apenas na metrologia, mas também no processamento quântico de informações, de acordo com Saint-Jean. Pode até ajudar a criar computadores fotônicos quânticos mais resilientes.
Pequenos desvios do dimensionamento perfeito também podem ser úteis. Mesmo pequenos desvios podem causar perturbações ambientais sutis, abrindo as portas para novos tipos de sensores altamente sensíveis.
Projetando o futuro da fotônica
“Observar o desvio medido da luz é um desafio único, porque os sistemas fotônicos estão inerentemente fora de equilíbrio”, observou Saint-Jean. “Ao contrário dos elétrons, a luz exige controle, manipulação e estabilidade precisos.”
As conquistas da equipe dependem de engenharia experimental avançada. Seu trabalho sugere novas oportunidades para projetar dispositivos fotônicos de próxima geração, capazes de transmitir e processar informações de maneiras novas e poderosas.
