Num feito que desafia a física clássica e se aproxima do que muitos considerariam magia, investigadores da Universidade de Oxford e do Instituto Superior Técnico em Lisboa demonstraram, através de simulações 3D em tempo real, como feixes de laser intensos podem interagir com o vácuo quântico para gerar luz. O trabalho, publicado na revista Communications Physics, oferece um vislumbre inédito de como a luz pode emergir da "escuridão".
Como se cria luz a partir do "nada"?
O segredo está no conceito de que o vácuo não é um espaço verdadeiramente vazio. Pelo contrário, está repleto de pares de eletrões e positrões virtuais que existem por breves instantes. Utilizando uma versão avançada do software de simulação OSIRIS, a equipa recriou um fenómeno conhecido como "mistura de quatro ondas no vácuo".
Neste processo, os campos eletromagnéticos de três pulsos de laser extremamente fortes polarizam estas partículas virtuais no vácuo. Esta interação faz com que os fotões ricocheteiem uns nos outros, resultando na criação de um quarto feixe de laser, efetivamente gerando luz a partir de um espaço aparentemente vazio.
"Isto não é apenas uma curiosidade académica – é um passo gigantesco em direção à confirmação experimental de efeitos quânticos que, até agora, eram maioritariamente teóricos", afirmou o Professor Peter Norreys, do Departamento de Física de Oxford.
Da teoria à prática com super-lasers
O que torna esta investigação particularmente relevante é a implementação global de sistemas de laser de múltiplos Petawatts, capazes de gerar os campos eletromagnéticos necessários para observar estes fenómenos na prática. Instalações como o Vulcan 20-20 no Reino Unido, o ELI na Europa, o SHINE e o SEL na China, e o laser de feixe duplo OPAL nos EUA, estão prestes a atingir os níveis de potência necessários para transformar estas simulações em experiências reais.
Para garantir a precisão das simulações, os cientistas usaram um solucionador numérico semiclássico baseado na Lagrangiana de Heisenberg-Euler. Esta abordagem permitiu-lhes modelar com exatidão os efeitos quânticos do vácuo e validar os seus resultados com previsões teóricas conhecidas para a birrefringência do vácuo – um fenómeno onde a luz se divide ao passar por um campo eletromagnético forte.
Uma janela para o futuro da física
As simulações, que utilizaram tanto ondas planas como pulsos de laser Gaussianos, corresponderam com sucesso às teorias existentes. No caso da mistura de três feixes, o modelo conseguiu seguir a formação do quarto feixe ao longo do tempo, fornecendo medições claras sobre a duração e a escala da interação.
"O nosso programa de computador oferece-nos uma janela 3D, resolvida no tempo, para interações no vácuo quântico que antes estavam fora de alcance", explicou o autor principal, Zixin Zhang, estudante de doutoramento em Oxford.
O Professor Luís Silva, coautor do Instituto Superior Técnico e Professor Visitante em Oxford, acrescentou: "Uma vasta gama de experiências planeadas nas mais avançadas instalações de laser será grandemente auxiliada pelo nosso novo método computacional".
Estas ferramentas não só ajudarão os cientistas a desenhar experiências mais eficazes, com maior controlo sobre o tempo, forma e direção dos lasers, como também poderão ser cruciais na busca por novas partículas, como axions e partículas milicarregadas, que são fortes candidatas para explicar a misteriosa matéria escura.
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