No final de 1800, os físicos descobriram o que hoje é chamado de efeito Hall. Isso ocorre quando uma corrente elétrica flui através do material e um campo magnético é aplicado em ângulo reto. Nessas condições, a tensão aparece no material na direção lateral.
Em termos simples, um campo magnético empurra elétrons carregados negativamente para um lado de um condutor. Esse acúmulo de carga deixa uma extremidade carregada negativamente e a extremidade oposta carregada positivamente, criando uma diferença de tensão mensurável.
Durante anos, os cientistas usaram esse efeito como uma ferramenta confiável. Isso permite medir campos magnéticos com alta precisão e determinar o nível de dopagem do material, ou seja, adicionar pequenas quantidades controladas de impurezas a um material puro para alterar a forma como ele conduz eletricidade.
Do clássico ao efeito Hall quântico
Na década de 1980, pesquisadores que estudavam condutores ultrafinos em temperaturas extremamente baixas fizeram uma descoberta surpreendente. Quando estes materiais em folha foram expostos a campos magnéticos muito fortes, a tensão lateral não aumentou suavemente. Em vez disso, ele subiu com passos bem definidos.
Estas áreas planas, conhecidas como planaltos, revelaram-se universais. Eles não dependem da composição, forma e defeitos microscópicos do material. Seus valores são determinados apenas pelas constantes fundamentais da natureza: a carga do elétron e a constante de Planck.
Este fenômeno ficou conhecido como efeito Hall quântico. A sua importância foi rapidamente reconhecida, acabando por lhe valer três Prémios Nobel de Física: em 1985 pela descoberta do efeito Hall quântico, em 1998 pela descoberta do efeito Hall quântico fracionário e em 2016 pela descoberta das fases topológicas da matéria.
Por que a luz é um grande problema
Até recentemente, o efeito Hall quântico era observado principalmente em elétrons. Como os elétrons carregam carga elétrica, eles respondem diretamente aos campos elétricos e magnéticos. Os fótons, que são partículas de luz, não possuem carga elétrica e, portanto, não respondem naturalmente a essas forças.
Como resultado, recriar o efeito Hall quântico usando luz parecia extraordinariamente difícil.
Observação da deriva quantizada da luz
Uma equipe internacional de pesquisadores alcançou esse objetivo ao demonstrar a deriva transversal quantizada da luz. Seus resultados foram publicados em Exame físico de X.
“A luz flutua de forma quantizada, seguindo passos universais semelhantes aos observados com electrões em campos magnéticos fortes”, disse Philippe Saint-Jean, professor de física na Universidade de Montreal e co-autor do estudo.
O impacto potencial deste resultado é significativo. Na metrologia, a ciência da medição de precisão, os sistemas ópticos poderão um dia servir como um padrão universal que poderá funcionar juntamente ou até mesmo substituir os sistemas eletrônicos.
Implicações para medição e padrões
O efeito Hall quântico já desempenha um papel central na ciência moderna de medição.
“Hoje, o quilograma é determinado com base em constantes fundamentais por meio de um dispositivo eletromecânico que compara a corrente elétrica com a massa”, explicou Saint-Jean. “Para que esta corrente esteja perfeitamente calibrada, precisamos de um padrão universal de resistência elétrica.
“Os planaltos do Quantum Hall nos dão exatamente isso. Graças a eles, todos os países do mundo têm a mesma definição de massa sem depender de artefatos físicos.”
De acordo com Saint-Jean, obter um controle quantizado preciso sobre como os fluxos de luz poderiam expandir as possibilidades não apenas na metrologia, mas também no processamento de informações quânticas. Poderia até ajudar a criar computadores fotônicos quânticos mais estáveis.
Pequenos desvios da quantização ideal também podem ser úteis. Mesmo pequenos desvios podem detectar perturbações sutis no ambiente, abrindo a porta para novos tipos de sensores extremamente sensíveis.
Projetando o futuro da fotônica
“Observar uma gota de luz quantizada é uma tarefa excepcionalmente difícil, uma vez que os sistemas fotônicos não estão inerentemente em equilíbrio”, observou Saint-Jean. “Ao contrário dos elétrons, a luz requer controle, manipulação e estabilização precisos.”
A conquista da equipe contou com técnicas experimentais avançadas. Seu trabalho oferece novas oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos de próxima geração, capazes de transmitir e processar informações de maneiras novas e poderosas.
