SEARA DA CIÊNCIA
A VELOCIDADE DA LUZ

A DINAMARQUESA QUE FEZ A LUZ PARAR
Mesmo em materiais de alto índice de refração a velocidade da luz ainda é bem grandinha. No diamante, que tem n = 2,4, um dos maiores conhecidos, a luz viaja com v = 125.000 km/s. Para reduzir bem mais a velocidade da luz é necessário utilizar outros processos. Vamos contar, a seguir, como alguns físicos conseguiram fazer a luz andar mais devagar que um ciclista e, para culminar, como uma física dinamarquesa e seus colegas fizeram a luz parar dentro de um gás e depois sair de novo com sua velocidade natural.

Inicialmente surgiu a técnica chamada de "transparência induzida", inventada na década de 90. Imagine um gás formado de átomos de sódio. Se a densidade desse gás for alta, ele é completamente opaco à passagem da luz. Mas, o físico Stephen Harris e seus colaboradores conseguiram um jeito de fazer esse gás ficar transparente para um feixe de luz com uma freqüência bem determinada.

Vamos descrever esse truque com bastante licença poética. Um átomo de sódio tanto absorve quanto emite luz na faixa do amarelo. Basta ver uma lâmpada de sódio na rua para verificar isso. Essa absorção e emissão se deve à uma transição bem conhecida entre dois níveis de energia bem próximos (1 e 2), o chamado "dubleto do sódio", para outro nível mais alto (3). A luz amarela daquelas lâmpadas de rua decorre da passagem de um elétron do átomo de sódio do nível 3 para os níveis mais baixos.
Harris descobriu um jeito do gás ficar transparente para luz com freqüência ajustada exatamente entre os níveis 1 e 3. Para isso, ele faz incidir sobre o gás a luz de laser (dito "de bombeamento") ajustada com grande precisão à freqüência entre os níveis 2 e 3. Essa luz excita os elétrons levando-os ao nível 3 que fica, assim, mais populado que o normal. Nesse instante faz=se incidir a luz de outro laser (dito "de teste") ajustada à diferença entre os níveis 1 e 3. Desse modo, a luz do laser de teste, que normalmente seria absorvida, passa incólume: o material ficou transparente para ela pois os níveis 3 já estavam ocupados.
Na verdade, o que ocorre é um pouco mais complicado que isso, envolvendo uma superposição quântica entre os estados 1 e 2 e uma interferência destrutiva quando o laser de teste é acionado. No entanto, o resultado é o mesmo descrito acima.
A figura ao lado mostra um gráfico da curva de absorção quando o laser de bombeamento está ligado. Surge uma "janela" de transparência bem na faixa de freqüência entre os níveis 1 e 3. Agora, vem a novidade. O índice de refração do gás nessa região de freqüências da "janela" é exatamente 1, igual ao índice de refração do vácuo. No entanto, esse índice de refração varia fortemente na região da janela, como é mostrado na outra figura. Essa forte variação acentua grandemente o mecanismo que descrevemos no capítulo 3, com o aparecimento de defasagem e interferência. Nesse caso, como a variação do índice de refração é muito forte, a velocidade da luz no gás será extremamente reduzida.
Os primeiros testes com essa técnica foram feitos por físicos alemães que conseguiram, em 1996, fazer a luz passar pelo gás com velocidade 3000 vezes menor que c, isto é, a meros 100 quilômetros por segundo. Foi um grande sucesso, mas, três anos depois, a dinamarquesa Lene Hau, trabalhando nos Estados Unidos, conseguiu reduzir a velocidade da luz no gás para o incrível valor de 17 metros por segundo, ou 60 km/h, mais lenta que um carro no trânsito da cidade.
Para chegar a esse resultado, Lene Hau e seus colegas baixaram a temperatura do gás de sódio para cerca de 500 nanokelvins, isto é, apenas 50 milionésimos acima do zero absoluto. Nessa temperatura extremamente baixa, os átomos estão quase parados. Sabe-se que o volume de um átomo aumenta quando sua velocidade diminui - esse é um efeito quântico. Na temperatura da experiência, os átomos de sódio ficam tão grandes que uns se surperpõem aos outros e o conjunto todo vira uma coisa só, indistinguível, chamada de "condensado de Bose-Einstein". Esse tal condensado, previsto em 1924 pelo indiano Satyendra Bose e pelo nosso conhecido Albert (que está em todas), só foi observado em 1995, por físicos do Colorado, causando muito sucesso.
Lene Hau e seu equipamento.
Mas, não é necessário baixar tanto a temperatura do gás, nem produzir um condensado de Bose-Einstein, para fazer a luz viajar tão devagar. Pouco depois do feito de Lene Hau, M. Scully e colegas da Universidade do Texas alcançaram o mesmo resultado usando um gás de rubídio a temperatura ambiente. A animação abaixo foi feita apenas para ilustrar como a experiência é feita. Não deve ser levada muito a sério.

(1) O laser de bombeamento torna o gás transparente à luz com a freqüência correspondente à transição entre os estados 1 e 3.    (2) Um pulso de luz com a freqüência da transição 1-3 é lançado. (3) O pulso passa pelo gás mas é grandemente comprimido e sua velocidade muito reduzida. (4) O pulso sai do gás e readquire sua velocidade e extensão originais.
Fazer a luz viajar com velocidade de pedestre foi um sucesso que colocou o nome da dinamarquesa Lene Hau em todas as TVs do mundo. Mas, ela não ficou dormindo nos louros. Dois anos depois, no início de 2001, e seus colaboradores anunciaram que tinham conseguido fazer a luz parar dentro do gás. Durante alguns milissegundos, os pulsos de luz podem ser estancados e sua forma de onda ficar armazenada nos átomos do gás, praticamente inalterada.
O truque para "parar" a luz consiste em acoplar a onda luminosa ao sistema atômico do gás. Os átomos têm características próprias, uma delas sendo o chamado "spin", espécie de dipolo magnético que pode interagir com a onda incidente. Nessa interação, todas as peculiaridades da onda são momentaneamente transferidas ao sistema de spins, armazenando a informação contida nela. Isso equivale a parar a luz sem perder seu conteúdo, diferentemente da absorção normal que destrói esse conteúdo.
A animação abaixo tenta ilustrar esse tipo de experiência. Encare-a com o mesmo humor que usou na animação anterior.


(1) O laser de bombeamento torna o gás transparente à luz com a freqüência correspondente à transição entre os estados 1 e 3.    (2) Um pulso de luz com a freqüência da transição 1-3 é lançado.   (3) O pulso entra gás onde sua velocidade é muito reduzida.     (4) Quando o pulso está dentro do gás o laser de bombeamento é desligado. O pulso fica preso no gás. (5) As caracterísiticas da onda de luz ficam momentaneamente armazenadas nos átomos do gás. (6) O laser de bombeamento é religado e o pulso de luz é recuperado. (7) O pulso sai do gás e readquire sua velocidade e extensão originais.
Bem, essa foi nossa história sobre a velocidade da luz. Começou com ela tão grande que Galileu não conseguiu medí-la e terminou com ela se anulando dentro de um gás. Fique de olho na luz pois ela ainda nos trará muitas surpresas no futuro.