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A luz extrema e o Nobel da Física de 2018

A luz extrema e o Nobel da Física de 2018

Luís Oliveira e Silva 16/10/2018 12:01

À medida que amplificamos a luz, a sua intensidade pode aumentar tanto que pode destruir o próprio material amplificador, em geral um cristal ou um vidro de material especial. Como ultrapassar este limite?

Em maio deste ano tinha escrito aqui no jornal i [1] sobre a luz mais intensa e brilhante até hoje produzida e as suas aplicações e potencialidades, incluindo “ferver o vácuo” e produzir matéria e antimatéria a partir da luz. Foi precisamente a descoberta, também brilhante, de Gérard Mourou e Donna Strickland, da técnica de amplificação da luz laser para altas intensidades, que foi reconhecida com o Prémio Nobel da Física em 2018, anunciado a 2 de outubro de 2018 [2]. 
Este reconhecimento era já há muito esperado, dado o impacto que esta descoberta está a ter em grandes infraestruturas laser [3] e noutros avanços notáveis em vários domínios, incluindo lasers para cirurgia oftalmológica, novos aceleradores compactos para a terapia do cancro, fontes de raios-x de elevado contraste para imagens médicas de alta resolução ou a possibilidade de fazer “astrofísica em laboratório”, que muito provavelmente virão também a ser premiados no futuro. É também mais um reconhecimento do papel da luz, dos lasers e da espetroscopia para o avanço da ciência, aumentando o número de galardoados nestas áreas com o Prémio Nobel da Física, Química ou Medicina para mais de 65, de acordo com uma estatística do prof. Sune Svanberg, da Universidade de Lund, na Suécia.

Os impulsos luminosos são constituídos por quanta de luz ou fotões, grãos de luz, com um frequência ou cor bem definida. No caso dos impulsos laser curtos, estes grãos de luz têm todos uma cor muito próxima, com uma distribuição de cores muito bem definida, sobrepostos e sincronizados entre si de forma precisa, para assegurar uma duração ultrarrápida do impulso laser. 

À medida que amplificamos a luz, a sua intensidade pode aumentar tanto que pode destruir o próprio material amplificador, em geral um cristal ou um vidro de material especial. Como ultrapassar este limite? 

Strickland e Mourou conceberam e demonstraram um sistema que primeiro estica temporalmente os flashes de luz laser, tornando-os mais longos e de intensidade mais baixa, mas com os fotões distribuídos segundo uma regra bem definida: os fotões “mais vermelhos”, de frequência mais baixa, à frente dos fotões “mais azuis”, de frequência mais elevada. Agora, e com a intensidade mais baixa, estes impulsos já podem ser amplificados em segurança, fazendo múltiplas cópias dos fotões, e sem destruir o amplificador. Em seguida, os impulsos são comprimidos, os fotões “mais azuis” são sobrepostos aos “fotões mais vermelhos” e novamente sincronizados na sua configuração inicial, recuperando-se a duração ultracurta do impulso laser inicial mas com um número de fotões significativamente mais elevado, como resultado da sua amplificação. 

A genialidade da descoberta consiste em garantir que o impulso mais longo está codificado de forma que seja simples reverter o processo e voltar a encurtá-lo para a sua duração original. É assim possível obter flashes de luz tão rápidos como 10 fs, ou seja, 0,00000000000001 segundos. Em termos comparativos, a duração destes impulsos está para um piscar de olhos como o piscar de olhos está para a idade do Universo.

Os fotões acumulados nestes impulsos permitem atingir potências luminosas instantâneas superiores a 1 PetaWatt, ou seja 1 000 000 000 000 000 Watt, mais de cem mil vezes a potência de uma central elétrica. 

Este Prémio Nobel também distingue Donna Strickland, professora associada da Universidade de Waterloo, que achou que não valia a pena solicitar a promoção para professora catedrática por ser muito trabalhoso. É a primeira mulher em 55 anos a receber o Nobel da Física e apenas a terceira na História. De notar ainda que está a ser reconhecido o trabalho que desenvolveu durante o seu doutoramento, o que é também notável e permite ter a esperança de que estamos a ultrapassar os enviesamentos que impediram o reconhecimento de outras estudantes de doutoramento como, por exemplo, Jocelyn Bell Burnell na descoberta dos pulsares. Gérard Mourou já se jubilou, mas mantém a sua originalidade e ambição visionária. Lançou os megalasers europeus do ELI [3], num projeto em que colaborou muito ativamente com professores e investigadores do Técnico [4] e, atualmente, continua a imaginar mecanismos que permitam amplificar a luz até potências para lá do ExaWatt, potências luminosas que só encontramos nos objetos astrofísicos mais extremos do Universo, com durações inferiores ao Zeptossegundo, explorando não só os prefixos mais exóticos das unidades físicas, mas também as aplicações mais visionários da luz extrema, reconhecida em 2018 com o Prémio Nobel da Física.  

Professor catedrático do Departamento de Física
Presidente do conselho científico
Instituto Superior Técnico

web: http://web.tecnico.ulisboa.pt/luis.silva/
twitter: @luis_os

[1] https://ionline.sapo.pt/artigo/611138/-de-arquimedes-a-ferver-o-vacuo-com-luz?seccao=Opiniao_i 
[2] A outra metade do prémio foi atribuída a Arthur Ashkin, reconhecendo a sua contribuição para uma técnica denominada “pinças ópticas”, i.e., a utilização de luz laser para manipular mecanicamente, por exemplo, átomos, moléculas e até as longas cadeias de ADN. Esta descoberta é complementar de outras já anteriormente galardoadas com o Nobel. 
[3] https://eli-laser.eu
[4] https://tecnico.ulisboa.pt/pt/noticias/o-impacto-do-premio-nobel-da-fisica-na-investigacao-do-tecnico/ 

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