Como fazer luz laser surgir do nada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/06/2025

Ilustração do espalhamento fóton-fóton. Dois feixes de laser verde com potência de petawatts colidem no foco com um terceiro feixe vermelho para polarizar o vácuo quântico. Isso permite a geração de um quarto feixe de laser azul, com direção e cor únicas, que conserva momento e energia.
[Imagem: Zixin Zhang]

Laser que emerge do nada

Desde os primeiros anos deste século, físicos conseguiram demonstrar experimentalmente que é possível gerar luz a partir do "nada", onde o "nada" recebe o nome técnico de vácuo quântico.

O vácuo quântico é o que resta quando você extrai todas as partículas de um local, até o último átomo. Contudo, isso não será o "nada". Nesse estado com a menor energia possível, restará uma espécie de sopa de campos e ondas de todas as frequências, o que inclui as forças eletromagnéticas, mas também as ondas que representam as partículas. Nessa sopa muito concreta, partículas virtuais saltam continuamente entre a existência e a inexistência.

É por isso que os físicos afirmam que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico. Para provar isto, os experimentos mais simples envolvem uma espécie de "raquete" rápida o suficiente para acertar uma dessas partículas virtuais quando ela emerge na existência, e então arremessá-la para fora, tipicamente gerando um fóton de luz que pode ser detectado - como você pode imaginar, a raquete é na verdade um espelho.

Funciona, e não se limita a gerar luz a partir do vácuo: É possível também criar antimatéria desse "nada" e, produzindo uma sopa de luz e matéria, equivalente à sopa primordial de quarks e glúons criada logo após o Big Bang, é possível entender a origem da matéria no Universo.

Já existe também um simulador que detecta a matéria surgindo do vácuo quântico.
[Imagem: IQOQI/Harald Ritsch]

Mistura de quatro ondas no vácuo

Agora, Zixin Zhang e colegas das universidades de Oxford, no Reino Unido, e Lisboa, em Portugal, demonstraram uma configuração experimental que permitirá criar luz laser a partir do vácuo quântico.

Ao simular em computador como a luz interage com o vácuo quântico, eles chegaram a uma configuração na qual três feixes de laser de alta potência, dirigidos para um único ponto, vão interagir com o vácuo quântico, alterando-o de tal maneira que "do nada" emergirá um quarto feixe de laser - sem espelhos, sem meio de ganho, sem cavidade ressonante e nem qualquer outro aparato material.

É um fenômeno bizarro, mas que já havia sido previsto pela física quântica, conhecido como mistura de quatro ondas no vácuo. A teoria afirma que o campo eletromagnético combinado dos três pulsos de laser focalizados pode polarizar os pares virtuais de elétrons (matéria) e pósitrons (antimatéria) do vácuo, fazendo com que os fótons ricocheteiem uns nos outros como bolas de bilhar, gerando um quarto feixe de laser, em um processo que essencialmente gera de luz a partir da escuridão.

Já seria interessante o bastante como curiosidade, mas esses eventos podem atuar como uma sonda para novas físicas em intensidades extremamente altas, como as presentes nos eventos cosmológicos, ou na escala oposta, checando a existência de novos tipos de partículas.

"Esta não é apenas uma curiosidade acadêmica - é um grande passo em direção à confirmação experimental de efeitos quânticos que até agora eram principalmente teóricos," destacou o professor Peter Norreys.

Um experimento com vácuo quântico parou o tempo e mudou a definição da luz.
[Imagem: University of Konstanz]

Agora é testar de verdade

O trabalho da equipe abre caminho para que instalações de laser do mundo real confirmem experimentalmente o fenômeno de geração do laser a partir do vácuo.

"Nosso programa de computador nos oferece uma janela tridimensional, com resolução temporal, para interações quânticas no vácuo que antes estavam fora de alcance. Ao aplicar nosso modelo a um experimento de espalhamento de três feixes, conseguimos capturar toda a gama de assinaturas quânticas, juntamente com insights detalhados sobre a região de interação e as principais escalas de tempo. Após realizar um benchmarking completo da simulação, podemos agora voltar nossa atenção para cenários mais complexos e exploratórios, incluindo estruturas exóticas de feixes de laser e pulsos de foco voador," disse Zhang.

E esse roteiro para a experimentação vem a calhar, em um momento que uma nova geração de lasers de potência inédita começam a operar, dizem os pesquisadores. Instalações como o Vulcan 20-20 do Reino Unido, o projeto europeu ELI (Extreme Light Infrastructure) e as instalações chinesas SEL (Station for Extreme Light) e SHINE serão capazes de fornecer níveis de potência altos o suficiente para testar o espalhamento fóton-fóton descrito agora pela equipe - o espalhamento fóton-fóton também já foi selecionado como um dos três experimentos cruciais a serem feitos na instalação de laser de feixe duplo OPAL, de 25 PW, da Universidade de Rochester, nos Estados Unidos.

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