Qualquer estudante de física sabe que a luz viaja em linha reta. Mas agora os pesquisadores mostraram que a luz também pode viajar em curva, sem qualquer influência externa. O efeito é na verdade uma ilusão óptica, embora os pesquisadores digam que ela poderia ter usos práticos, como mover objetos com a luz de longe.
É bem conhecido que a luz se dobra. Quando os raios de luz passam do ar para a água, por exemplo, eles fazem uma curva brusca; é por isso que um pau mergulhado num tanque parece inclinar-se em direção à superfície. No espaço, os raios de luz que passam perto de objetos muito maciços, como estrelas, são vistos a viajar em curvas. Em cada instância, a curvatura da luz tem uma causa externa: Para a água, é uma mudança numa propriedade óptica chamada índice de refracção, e para as estrelas, é a natureza empenosa da gravidade.
Para a luz se dobrar por si só, no entanto, é quase inaudito. No final dos anos 70, os físicos Michael Berry da Universidade de Bristol, no Reino Unido, e Nandor Balazs da Universidade Estadual de Nova York, Stony Brook, descobriram que a chamada forma de onda Airy, uma onda que descreve como as partículas quânticas se movem, às vezes pode se curvar por uma pequena quantidade. Esse trabalho foi largamente ignorado até 2007, quando Demetri Christodoulides e outros físicos da Universidade da Flórida Central em Orlando geraram versões ópticas de ondas Airy manipulando a luz laser, e descobriram que o feixe resultante curvava ligeiramente ao cruzar um detector.
Como funcionava esta auto-curvatura? A luz é uma confusão de ondas, e os seus picos e canais podem interferir uns com os outros. Por exemplo, um pico passando por uma calha cancela um ao outro para criar escuridão; um pico passando por outro pico “interfere construtivamente” para criar um ponto brilhante. Agora, imagine a luz emitida por uma faixa larga – talvez um tubo fluorescente ou, melhor, um laser cuja saída tenha sido expandida. Controlando cuidadosamente a posição inicial dos picos de onda – a fase das ondas – em cada passo ao longo da faixa, é possível fazer com que a luz que viaja para fora interfira construtivamente apenas em pontos de uma curva e cancele para fora em qualquer outro lugar. A função Airy, que contém oscilações rápidas mas decrescentes, provou ser uma forma fácil de definir essas fases iniciais – excepto que a luz resultante se curvaria apenas até cerca de 8°.
Agora os físicos Mordechai Segev e colegas do Technion, Instituto de Tecnologia de Israel, em Haifa, dizem que têm uma receita para fazer a auto-curva da luz através de qualquer ângulo, mesmo através de um círculo completo. O problema com a função Airy, diz Segev, é que a forma das suas oscilações especifica as fases certas apenas em ângulos pequenos; em ângulos muito maiores que 8°, a forma torna-se uma aproximação grosseira. Assim, seu grupo se voltou para as equações de Maxwell, o quarteto de fórmulas matemáticas de 150 anos que descrevem a propagação de ondas eletromagnéticas, como a luz. Depois de laboriosa matemática e adivinhação, os pesquisadores encontraram soluções para as equações de Maxwell que descrevem com precisão as fases iniciais necessárias para uma verdadeira auto-flexão da luz, como relatam esta semana em Physical Review Letters.
“A função Airy é uma solução para um caso aproximado”, diz Segev. “Se você quiser ir para ângulos grandes, deve ter a forma adequada. As pessoas pensavam que não havia uma forma adequada, que a solução sempre cairia aparte – mas nós mostramos que isso está errado”.
O trabalho do grupo de Segev pode ter permanecido teórico, mas por coincidência, um grupo liderado por John Dudley na Universidade de Franche-Comté em Besançon, França, tem feito as suas próprias experiências sobre a luz auto-dobridora. Ao modificar a função Airy existente, o grupo de Dudley conseguiu encontrar valores de fase inicial que correspondem à solução do grupo israelense, apesar de não ter conhecimento disso. Usando um dispositivo chamado modulador de luz espacial para pré-ajustar a fase de um feixe expandido de luz laser, o grupo francês descobriu que a luz resultante se auto-dobra em até 60°, como relatará no final deste mês em Cartas Ópticas.
A luz auto-flexível poderia colocar uma torção clara nas pinças ópticas. Estes dispositivos, que foram desenvolvidos nos anos 80, usam a força criada pela luz laser intensa para segurar objetos microscópicos em pleno ar. Segev acredita que ao substituir os raios laser por luz auto-flexível, os pesquisadores poderiam forçar objetos presos a viajar por caminhos complexos sem tocá-los. Ao fazer isso, a luz curva poderia mover seletivamente as células para longe de uma amostra biológica – uma vantagem para os bioengenheiros.
O físico Pavel Polynkin da Universidade do Arizona em Tucson sugere outra aplicação: – queimar um buraco curvo através de um material, o que seria impossível com um laser regular. Mas apesar de tais aplicações, ele aponta que a luz em si não curva, ela só aparece, devido à forma como os pontos luminosos de interferência se alinham. Na verdade, diz ele, a maior parte da potência da luz não vai em direção à curva brilhante, mas sim para as áreas com pouca luminosidade que foram canceladas. “Não estou contestando o significado científico do papel”, acrescenta ele. “Ele relata uma contribuição importante. … nenhuma lei fundamental da física foi quebrada até agora – e isso é uma coisa boa, na minha opinião”.