No final de 1800, os físicos descobriram o que hoje é conhecido como efeito Hall. Isso ocorre quando uma corrente elétrica flui através do material enquanto um campo magnético é aplicado em ângulo reto. Sob estas condições, tensões transversais aparecem no material.
Simplificando, um campo magnético empurra elétrons carregados negativamente para um lado de um condutor. Esse acúmulo de carga torna uma borda carregada negativamente e a outra carregada positivamente, criando uma diferença de tensão mensurável.
Os cientistas têm usado esse efeito como uma ferramenta confiável há muitos anos. Ele permite medir campos magnéticos com alta precisão e determinar os níveis de dopagem de materiais, onde pequenas quantidades controladas de impurezas são adicionadas a um material puro para alterar a forma como ele conduz eletricidade.
Do efeito Hall clássico ao quântico
Na década de 1980, pesquisadores que estudavam condutores ultrafinos em temperaturas extremamente baixas fizeram descobertas surpreendentes. Quando estas folhas de material foram expostas a campos magnéticos muito fortes, a tensão transversal não aumentou suavemente. Em vez disso, aumentou a um ritmo definido.
Estas áreas planas, chamadas planaltos, revelaram-se generalizadas. Eles não dependem da composição, formato ou 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 é chamado de efeito Hall quântico. A sua importância foi rapidamente reconhecida, culminando com 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 representa um grande desafio
Até recentemente, o efeito Hall quântico era observado principalmente em elétrons. Como os elétrons carregam cargas elétricas, eles respondem diretamente aos campos elétricos e magnéticos. Os fótons são partículas de luz que não carregam carga elétrica e, portanto, não respondem naturalmente a essas forças.
Portanto, reproduzir o efeito Hall quântico com luz parece ser extremamente difícil.
Observando desvios quânticos de luz
Uma equipa internacional de investigadores conseguiu agora isto, demonstrando a deriva lateral quantificada da luz. Suas descobertas foram publicadas em Revisão FísicaX.
“A luz flutua de forma quantizada, seguindo passos universais semelhantes aos observados pelos electrões sob fortes campos magnéticos”, disse Philippe Saint-Jean, professor de física na Universidade de Montreal e co-autor do estudo.
O impacto potencial deste resultado é enorme. Na metrologia (a ciência das medições de precisão), os sistemas ópticos poderão um dia servir como padrões de referência universais, possivelmente trabalhando em conjunto ou mesmo substituindo os sistemas eletrônicos.
Impacto nas medições e padrões
O efeito Hall quântico já desempenha um papel central na ciência moderna de medição.
“Hoje o quilograma é definido em termos de constantes fundamentais, por meio de dispositivos eletromecânicos para comparar a corrente elétrica com a massa”, explica Saint-Jean. “Para calibrar perfeitamente esta corrente, precisamos de um padrão de resistência universal.
“Os planaltos do Quantum Hall nos dão exatamente isso. Graças a eles, todos os países do mundo têm a mesma definição de massa, independente de artefatos físicos.”
Saint-Jean disse que o controle quantitativo preciso da forma como a luz flui poderia expandir não apenas as possibilidades da metrologia, mas também as possibilidades do processamento quântico de informações. Pode até ajudar a produzir computadores fotônicos quânticos mais resilientes.
Pequenos desvios da quantização perfeita também podem ser úteis. Mesmo pequenos desvios podem revelar perturbações ambientais subtis, abrindo a porta a novos tipos de sensores extremamente sensíveis.
Projetando o futuro da fotônica
“Observar partículas de luz quantizadas é um desafio único porque os sistemas fotônicos são inerentemente desequilibrados”, observou Saint-Jean. “Ao contrário dos elétrons, a luz requer controle, manipulação e estabilização precisos.”
A conquista da equipe dependeu da engenharia experimental avançada. Seu trabalho abre novas oportunidades para projetar dispositivos fotônicos de próxima geração que possam transmitir e processar informações de maneiras novas e poderosas.
