Você sabia que é possível manipular algumas propriedades da luz e construir dispositivos tecnológicos ultra-precisos como, por exemplo, pinças óticas e computadores mais velozes? A construção desses dispositivos está ligado ao desenvolvimento da biologia, da química e de diversas áreas do conhecimento. Diferentes abordagens para descrever a luz são importantes para o entendimento dos fenômenos luminosos e de dispositivos que utilizam a luz. Apresentaremos o Momento Angular Orbital (MAO) da luz que ganhou destaque devido aos resultados promissores em diferentes áreas do conhecimento.

1. Torcendo a luz: a física da luz como avanço tecnológico
Prof. Carlos Eduardo Souza (Cadu)
20/03/2014

2. Sumário
● A natureza da luz
A história da descrição científica da luz: a luz já
foi partícula e já foi onda...
Pode a luz ser onda e partícula ao mesmo tempo?
A Mecânica Quântica e suas sutilezas
● O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
A Polarização da luz para construção de dispositivos de computação
Estudo dos materiais através de propriedade da Luz
● Torcendo a luz
Luz com momento angular orbital
● Conclusões

3. A natureza da luz
O que é a luz?

4. A natureza da luz
O que é a luz?
Pergunta desconcertante, pois não existe uma única e simples
descrição da luz
Vamos nos situar:
A área do conhecimento destinada ao estudo da luz é chamada
de óptica.

5. A natureza da luz
Na óptica clássica utilizamos dois modelos para a
descrição da luz
➔ Modelo corpuscular
➔ Modelo ondulatório
Vamos abordar essa questão depois de entendermos
como funcionam as descrições corpuscular e ondulatória
O assunto é delicado pois, segundo sabemos hoje, a luz não é
composta de partículas clássicas, nem é uma onda clássica.

6. A natureza da luz
Modelo corpuscular:
A luz é composta por partículas que se deslocam no
espaço e nos meios materiais
As primeiras referências sobre as tentativas de descrição da luz
vem da antiguidade. Os cientistas e filósofos gregos imaginavam
a luz como sendo partículas que viajam através do espaço e que
dependiam da visão.

7. A natureza da luz
Modelo corpuscular:
A luz é composta por partículas que se deslocam no
espaço e nos meios materiais
Isaac Newton (1642-1727)
foi o principal defensor da
teoria corpuscular. Conhecia
os efeitos da difração e
interferência. Tinha uma
explicação consistente para
os fenômenos da reflexão e
refração. A teoria corpuscular
prevaleceu no séc. XVIII.

8. A natureza da luz
Rudimentos da teoria corpuscular
A luz se propaga em linha reta: raios de luz, ótica geométrica
→ comportamento típico de partículas! ←

9. A natureza da luz
Rudimentos da teoria corpuscular
Até então, todas as evidências experimentais apontavam que a
descrição da luz em termos de partículas era bem adequada.
Ao passar por um objeto, a luz
produz sombras com bordas
nítidas.
Ondas se propagam ao redor de
obstáculos (difração), o que não
era observado para a luz.

10. A natureza da luz
Rudimentos da teoria ondulatória
A teoria corpuscular proposta por Newton não foi prontamente aceita. Na
época, essa teoria sofreu severas críticas de importantes cientistas defensores
da teoria ondulatória.
Princípio de Huygens
+ Francesco Grimald + Robert Hooke
Christiaan Huygens
(1629-1695)
Cada ponto de uma frente de onda é fonte de ondas
secundárias, que dão origem a outra frente de onda.

11. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
(1773-1829)
Esquema experimental do histórico experimento da fenda dupla feito
por Thomas Young, realizado entre os anos 1801-1804.

12. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
O Experimento de Young foi realizado com muita dificuldade técnica
e não encerrou o debate.
Muitos cientistas da época não concordavam com uma explicação
ondulatória que não desse conta do fenômeno da polarização.
O experimento foi um importante resultado para a reabertura do
debate. A descrição ondulatória, tomada por muitos cientistas como
inválida por por mais de cem anos, retornava com o potencial de
mudar os rumos da óptica.

13. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
Augustin Jean Fresnel (1788-1827) apresentou, em
1819, uma teoria sobre a natureza ondulatória da luz,
em que explicava inclusive a polarização
(considerando-a uma onda transversa), para concorrer
a um prêmio oferecido pela Academia Francesa de
Ciências a quem explicasse a difração.

14. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
A maior parte dos membros do comitê de seleção favorecia a
teoria corpuscular, incluindo Simeon D. Poisson (1781-1840)
Poisson, usando a teoria de Fresnel,
mostrou que um resultado esdrúxulo era
previsto: se um disco circular fosse
iluminado, bem no centro da região de
sombra apareceria uma mancha brilhante,
como se não houvesse o disco.

15. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
A experiência foi realizada por François J. D. Arago (1786-1853),
outro membro do comitê.

16. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
A mancha observada ficou conhecida como Mancha de Poisson!
Fresnel ganhou o prêmio da Academia e a Teoria Ondulatória obteve
um grande triunfo.
Um experimento de medida da velocidade da luz liquidou com a
teoria corpuscular.

17. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
Fizeau verificou com seu arranjo experimental que a velocidade de
propagação na água era menor que no ar.
A Teoria corpuscular da luz era sepultada!

18. A natureza da luz
Experimentos “decisivos” em favor
da teoria ondulatória
Se a luz é uma onda, o que está ondulando?

19. A natureza da luz
A glória da teoria ondulatória
Há 150 anos, em 1864, James Clerk Maxwell publica
artigos que estabelecem as bases do eletromagnetismo
clássico, na qual está inserida toda a ótica clássica.
Numa formulação moderna:
… e fez-se a luz!

20. A natureza da luz
A glória da teoria ondulatória
A Luz é uma onda eletromagnética
Flecha vermelha → (campo elétrico)
Flecha azul → (campo magnético)

21. A natureza da luz
A glória da teoria ondulatória
Um dos resultados mais importantes derivados das equações de Maxwell é
uma equação para a determinação da velocidade da luz.
A velocidade da luz pode ser calculada por meio das constantes do
eletromagnetismo!

22. A natureza da luz
A glória da teoria ondulatória
A experiência de Heinrich Hertz
Em 1887 Hertz comprova experimentalmente a teoria de
Maxwell, produzindo e detectando experimentalmente as ondas
eletromagnéticas.

23. A natureza da luz
A glória da teoria ondulatória
→ Nascimento da Teoria Quântica
A experiência de Hertz
Nesse mesmo experimento Hertz redescobre
o efeito fotoelétrico.

24. A natureza da luz
A glória da teoria ondulatória
→ Nascimento da Teoria Quântica
Efeito Fotoelétrico
Ejeção de elétrons por um material quando exposto a uma radiação
eletromagnética.
De acordo com a teoria ondulatória, quanto maior a intensidade da luz,
maior deverá ser a energia do elétron ejetado.
Todavia, isso não é observado experimentalmente. Observa-se que a
energia do elétron ejetado depende da frequência da luz incidente.

25. A natureza da luz
O Nascimento da Teoria Quântica
Efeito Fotoelétrico
A explicação satisfatória para esse efeito foi dada por Albert Einstein, em
1905, e foi baseada na extensão mais audaciosa da hipótese de Max Planck
sobre a quantização da energia da luz.
Max Planck (1858-1947) – primeiro a propor
a quantização da energia da luz para explicar
a emissão de radiação no problema de
corpos negros.
Albert Einstein (1879-1955) – Explicou o
efeito fotoelétrico com base na quantização
da energia da luz.

26. A natureza da luz
O Nascimento da Teoria Quântica
De acordo com a teoria quântica, a luz é composta de fótons (quanta):
“partículas de luz com características de onda”.
Isso é uma aspecto que causa muito desconforto até os dias atuais!
Na Física clássica temos uma distinção clara entre fenômenos ondulatórios
e corpusculares. Nenhum fenômeno clássico pode ser os dois ao mesmo tempo.
O nome “fóton” foi cunhado pelo químico, Gilbert N. Lewis (famoso pelas
ligações químicas em compostos orgânicos), que publicou um trabalho em
1926, “sobre a conservação de fótons”.

27. A natureza da luz
O que é a luz?
A luz é um assunto desconcertante. Ela já foi partícula, já foi onda e agora é
um ente que não é exatamente nem onda e nem partícula mas tem
propriedade de ambos...
?!?!?!

28. A natureza da luz
O que é a luz?
O mais interessante disso tudo é que todos esses modelos para descrição
da luz são utilizados atualmente para descrição dos sistemas óticos.
Na óptica, devemos inicialmente ver qual dos modelos melhor se adapta ao
problema que vamos abordar.
Normalmente, utilizamos o
Modelo corpuscular (Óptica Geométrica) → Espelhos e Lentes;
Modelo Ondulatório → Difração e Interferência;
Modelo Quântico (Óptica Quântica) → Propriedades Quânticas da luz/Matéria.

29. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Manipulando a luz

30. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Polarização da Luz

31. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Polarização da Luz

32. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Em teoria da informação, o bit é a menor unidade de informação que pode
ser armazenada ou transmitida. O bit pode somente assumir dois valores: 0 ou
1 (verdadeiro ou falso).
Nos computadores da atualidade, os bits são implementados fisicamente
através de acúmulos de cargas elétricas nos capacitores dos circuitos da
memória do sistema. Se a carga for superior a um dado valor, o bit vale 1, caso
contrário, o bit vale 0!
Transmissão de informação com a luz

33. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Polarização da Luz
Podemos codificar a informação utilizando a polarização da luz
Esquema experimental de um dispositivo para codificação da informação em pulsos de luz
Esse dispositivo normalmente é acoplado numa fibra ótica!

34. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Torcendo a luz:
O Momento Angular da Luz

35. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Torcendo a luz:
O Momento Angular da Luz
O Momento angular é uma grandeza física relacionada com a rotação de
corpos. Geralmente estudada nos cursos de Mecânica Clássica e tem grande
importância para a descrição de muitos dispositivos e fenômenos.

36. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
O Momento angular da luz é uma
propriedade que desperta o interesse da
comunidade científica.
Torcendo a luz:
Aplicações tecnológicas e
Pesquisa Fundamental.

37. O controle das propriedades da luz para o
desenvolvimento tecnológico
Pinças Óticas
Partículas microscópicas podem ser aprisionadas e movidas com um feixe laser.
Torcendo a luz:
Neste experimento, um o momento angular da luz
é transferido para a partícula que entra em
movimento de rotação.

38. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
O aumento da capacidade de processamento dos computadores
(miniaturização dos componentes eletrônicos) tem ocorrido num ritmo tão
elevado que até o início da próxima década, se esse ritmo for mantido, as
unidades básicas de computação terão dimensões atômicas.

39. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
O aumento da capacidade de processamento dos computadores
(miniaturização dos componentes eletrônicos) tem ocorrido num ritmo tão
elevado que até o início da próxima década, se esse ritmo for mantido, as
unidades básicas de computação terão dimensões atômicas.
Com essas dimensões, a física utilizada para a
descrição dos computadores não será mais válida!!
!

40. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
Deveremos usar a Mecânica Quântica para descrever os
computadores dos tempos “vindouros”.
Isso motivou o surgimento de uma nova área de pesquisa intitulada
Computação e Informação Quântica, que engloba os conhecimentos da
Física, da Matemática, da Engenharia, da Teoria de Computação e outros.
Atualmente, os cientistas estudam vários sistemas candidatos para a
implementação de um computador quântico.
Sistemas atômicos, Materiais Semicondutores e Sistemas Óticos são os
principais candidatos.

41. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
A luz constitui um sistema físico formidável para a construção de computadores
mais velozes, eficientes e seguros.
É um sistema que se desloca rapidamente e não interage “muito” com o
ambiente.
Vejamos como podemos usar a luz em tarefas computacionais.

42. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Codificando mais informação na luz
Usando a polarização e o Momento Angular Orbital
bit 0
bit 1
bit 0
bit 1
Polarização
Momento
Angular Orbital

43. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Codificando mais informação na luz
Usando a polarização e o Momento Angular Orbital
bit 0
bit 1
bit 0
bit 1
Polarização
Momento
Angular Orbital
Computadores Óticos e dispositivos de
transmissão de informação

44. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
No Laboratório de Ótica Quântica aqui na UFF estudamos as
propriedades da luz e a sua utilização em sistemas óticos de computação.
Recentemente, propusemos e implementamos experimentalmente um
dispositivo que simula uma Porta Lógica de computação que utiliza a
Polarização e o Momento Angular da Luz.
Porta Lógica Não-Controlado (C-NOT)

45. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
Funcionamento da Porta C-NOT
controle
alvo

46. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
Funcionamento da Porta C-NOT

47. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
Implementação ótica da versão quântica do Dilema do Prisioneiro: sistemas
de criptografia de mensagens

48. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
Implementação ótica da versão quântica do Dilema do Prisioneiro: sistemas
de criptografia de mensagens
Tabela de Redução de Pena: Caso Clássico
No caso quântico: espaço de estratégias maior

49. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico
Dispositivos Óticos para Computação
Aparato experimental utilizado para implementação do jogo

50. O controle das propriedades da luz
para o desenvolvimento tecnológico

51. ● Três modelos distintos e válidos para a descrição da luz:
Modelo Ondulatório
Modelo corpuscular
Modelo Quântico (fótons)
● Entender as propriedades da luz é importante para a
pesquisa e o trabalho em várias áreas do Conhecimento
Conclusões

52. Referências
● Optics (Eugene Hecht)
● Física (Uma abordagem Estratégica)
● Fotografias digitalizadas → wikipedia.com

53. Obrigado!!