11/10/2018

Nobel de Física premia pesquisa desenvolvida desde os anos 70

Reprodução do blog do IMPA Ciência & Matemática, de O Globo, coordenado por Claudio Landim

Paulo Américo Maia Neto – Professor Titular do Instituto de Física, UFRJ

Metade do prêmio Nobel de Física deste ano foi concedido ao norte-americano Arthur Ashkin pela invenção das pinças óticas. Com esta escolha, a Real Academia de Ciências da Suécia finalmente reconheceu a contribuição pioneira de Ashkin no uso da luz laser para capturar átomos e micro-partículas.

Esta linha de pesquisa desenvolvida por Ashkin desde os anos 70 explora um aspecto muito pouco familiar da luz: a sua capacidade de exercer forças sobre corpos materiais. Em nossa vivência diária, lidamos de forma frequente com a energia transportada pela luz. Ao ser absorvido por um material opaco, um feixe de luz transfere toda a sua energia ao meio material, produzindo aquecimento. Além da energia, a luz transporta uma outra grandeza física muito importante para entender as forças mecânicas: o momento linear. Ao ser atingido por um projétil, um corpo material é empurrado porque herda o momento linear do projétil. De forma análoga, um corpo é empurrado ao absorver ou refletir um feixe de luz. Este efeito, muito pequeno para ser observado em situações usuais do dia-a-dia, é responsável pela propulsão do veleiro solar japonês IKAROS, que passou pelo planeta Vênus em dezembro de 2010.

Na escala microscópica, os efeitos do momento linear da luz são muito mais importantes. Em 1970, Ashkin mostrou como empurrar bolinhas de latex microscópicas usando um feixe de luz produzido por um laser (o laser havia sido inventado poucos anos antes). Na pinça ótica, inventada por Ashkin e colaboradores em 1986, um único feixe de luz laser fortemente focalizado exerce uma força ótica sobre uma micro-partícula transparente de tal forma a aprisioná-la na vizinhança do foco. Desta forma, a posição da partícula pode ser controlada realizando uma translação espacial do ponto focal. Tudo se passa como numa pinça, mas não há nenhum contato mecânico com a partícula – apenas a luz é responsável pela sua manipulação.

Pinças óticas também permitem a captura e manipulação de células vivas, sem alterar as suas funções vitais. Nas pinças óticas, não há troca de energia porque as partículas ou células aprisionadas são sempre transparentes, evitando assim a possibilidade de aquecimento. Como é possível transferir momento linear, e assim exercer uma força, e ao mesmo tempo não transferir energia? Isto ocorre porque o momento da luz é um vetor que aponta na direção de propagação do feixe. Ao desviar o feixe, como por exemplo numa reflexão, há uma troca de momento entre a luz e a partícula capturada, dando origem à força ótica, mesmo quando não há nenhuma absorção.

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