1. Torcendo a luz: a fsica da luz como avano tecnolgico Prof.
Carlos Eduardo Souza (Cadu) 20/03/2014
2. Sumrio A natureza da luz A histria da descrio cientfica da
luz: a luz j foi partcula e j foi onda... Pode a luz ser onda e
partcula ao mesmo tempo? A Mecnica Quntica e suas sutilezas O
controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico
A Polarizao da luz para construo de dispositivos de computao Estudo
dos materiais atravs de propriedade da Luz Torcendo a luz Luz com
momento angular orbital Concluses
3. A natureza da luz O que a luz?
4. A natureza da luz O que a luz? Pergunta desconcertante, pois
no existe uma nica e simples descrio da luz Vamos nos situar: A rea
do conhecimento destinada ao estudo da luz chamada de ptica.
5. A natureza da luz Na ptica clssica utilizamos dois modelos
para a descrio da luz Modelo corpuscular Modelo ondulatrio Vamos
abordar essa questo depois de entendermos como funcionam as
descries corpuscular e ondulatria O assunto delicado pois, segundo
sabemos hoje, a luz no composta de partculas clssicas, nem uma onda
clssica.
6. A natureza da luz Modelo corpuscular: A luz composta por
partculas que se deslocam no espao e nos meios materiais As
primeiras referncias sobre as tentativas de descrio da luz vem da
antiguidade. Os cientistas e filsofos gregos imaginavam a luz como
sendo partculas que viajam atravs do espao e que dependiam da
viso.
7. A natureza da luz Modelo corpuscular: A luz composta por
partculas que se deslocam no espao e nos meios materiais Isaac
Newton (1642-1727) foi o principal defensor da teoria corpuscular.
Conhecia os efeitos da difrao e interferncia. Tinha uma explicao
consistente para os fenmenos da reflexo e refrao. A teoria
corpuscular prevaleceu no sc. XVIII.
8. A natureza da luz Rudimentos da teoria corpuscular A luz se
propaga em linha reta: raios de luz, tica geomtrica comportamento
tpico de partculas!
9. A natureza da luz Rudimentos da teoria corpuscular At ento,
todas as evidncias experimentais apontavam que a descrio da luz em
termos de partculas era bem adequada. Ao passar por um objeto, a
luz produz sombras com bordas ntidas. Ondas se propagam ao redor de
obstculos (difrao), o que no era observado para a luz.
10. A natureza da luz Rudimentos da teoria ondulatria A teoria
corpuscular proposta por Newton no foi prontamente aceita. Na poca,
essa teoria sofreu severas crticas de importantes cientistas
defensores da teoria ondulatria. Princpio de Huygens + Francesco
Grimald + Robert Hooke Christiaan Huygens (1629-1695) Cada ponto de
uma frente de onda fonte de ondas secundrias, que do origem a outra
frente de onda.
11. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria
ondulatria (1773-1829) Esquema experimental do histrico 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
ondulatria O Experimento de Young foi realizado com muita
dificuldade tcnica e no encerrou o debate. Muitos cientistas da
poca no concordavam com uma explicao ondulatria que no desse conta
do fenmeno da polarizao. O experimento foi um importante resultado
para a reabertura do debate. A descrio ondulatria, tomada por
muitos cientistas como invlida por por mais de cem anos, retornava
com o potencial de mudar os rumos da ptica.
13. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria
ondulatria Augustin Jean Fresnel (1788-1827) apresentou, em 1819,
uma teoria sobre a natureza ondulatria da luz, em que explicava
inclusive a polarizao (considerando-a uma onda transversa), para
concorrer a um prmio oferecido pela Academia Francesa de Cincias a
quem explicasse a difrao.
14. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria
ondulatria A maior parte dos membros do comit de seleo favorecia a
teoria corpuscular, incluindo Simeon D. Poisson (1781-1840)
Poisson, usando a teoria de Fresnel, mostrou que um resultado
esdrxulo era previsto: se um disco circular fosse iluminado, bem no
centro da regio de sombra apareceria uma mancha brilhante, como se
no houvesse o disco.
15. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria
ondulatria A experincia foi realizada por Franois J. D. Arago
(1786-1853), outro membro do comit.
16. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria
ondulatria A mancha observada ficou conhecida como Mancha de
Poisson! Fresnel ganhou o prmio da Academia e a Teoria Ondulatria
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
ondulatria Fizeau verificou com seu arranjo experimental que a
velocidade de propagao na gua era menor que no ar. A Teoria
corpuscular da luz era sepultada!
18. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria
ondulatria Se a luz uma onda, o que est ondulando?
19. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria H 150 anos,
em 1864, James Clerk Maxwell publica artigos que estabelecem as
bases do eletromagnetismo clssico, na qual est inserida toda a tica
clssica. Numa formulao moderna: e fez-se a luz!
20. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria A Luz uma
onda eletromagntica Flecha vermelha (campo eltrico) Flecha azul
(campo magntico)
21. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria Um dos
resultados mais importantes derivados das equaes de Maxwell uma
equao para a determinao da velocidade da luz. A velocidade da luz
pode ser calculada por meio das constantes do
eletromagnetismo!
22. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria A experincia
de Heinrich Hertz Em 1887 Hertz comprova experimentalmente a teoria
de Maxwell, produzindo e detectando experimentalmente as ondas
eletromagnticas.
23. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria Nascimento
da Teoria Quntica A experincia de Hertz Nesse mesmo experimento
Hertz redescobre o efeito fotoeltrico.
24. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria Nascimento
da Teoria Quntica Efeito Fotoeltrico Ejeo de eltrons por um
material quando exposto a uma radiao eletromagntica. De acordo com
a teoria ondulatria, quanto maior a intensidade da luz, maior dever
ser a energia do eltron ejetado. Todavia, isso no observado
experimentalmente. Observa-se que a energia do eltron ejetado
depende da frequncia da luz incidente.
25. A natureza da luz O Nascimento da Teoria Quntica Efeito
Fotoeltrico A explicao satisfatria para esse efeito foi dada por
Albert Einstein, em 1905, e foi baseada na extenso mais audaciosa
da hiptese de Max Planck sobre a quantizao da energia da luz. Max
Planck (1858-1947) primeiro a propor a quantizao da energia da luz
para explicar a emisso de radiao no problema de corpos negros.
Albert Einstein (1879-1955) Explicou o efeito fotoeltrico com base
na quantizao da energia da luz.
26. A natureza da luz O Nascimento da Teoria Quntica De acordo
com a teoria quntica, a luz composta de ftons (quanta): partculas
de luz com caractersticas de onda. Isso uma aspecto que causa muito
desconforto at os dias atuais! Na Fsica clssica temos uma distino
clara entre fenmenos ondulatrios e corpusculares. Nenhum fenmeno
clssico pode ser os dois ao mesmo tempo. O nome fton foi cunhado
pelo qumico, Gilbert N. Lewis (famoso pelas ligaes qumicas em
compostos orgnicos), que publicou um trabalho em 1926, sobre a
conservao de ftons.
27. A natureza da luz O que a luz? A luz um assunto
desconcertante. Ela j foi partcula, j foi onda e agora um ente que
no exatamente nem onda e nem partcula mas tem propriedade de
ambos... ?!?!?!
28. A natureza da luz O que a luz? O mais interessante disso
tudo que todos esses modelos para descrio da luz so utilizados
atualmente para descrio dos sistemas ticos. Na ptica, devemos
inicialmente ver qual dos modelos melhor se adapta ao problema que
vamos abordar. Normalmente, utilizamos o Modelo corpuscular (ptica
Geomtrica) Espelhos e Lentes; Modelo Ondulatrio Difrao e
Interferncia; Modelo Quntico (ptica Quntica) Propriedades Qunticas
da luz/Matria.
29. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Manipulando a luz
30. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Polarizao da Luz
31. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Polarizao da Luz
32. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Em teoria da informao, o bit a menor unidade de informao
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 so implementados fisicamente atravs de acmulos
de cargas eltricas nos capacitores dos circuitos da memria do
sistema. Se a carga for superior a um dado valor, o bit vale 1,
caso contrrio, o bit vale 0! Transmisso de informao com a luz
33. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Polarizao da Luz Podemos codificar a informao utilizando
a polarizao da luz Esquema experimental de um dispositivo para
codificao da informao em pulsos de luz Esse dispositivo normalmente
acoplado numa fibra tica!
34. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Torcendo a luz: O Momento Angular da Luz
35. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Torcendo a luz: O Momento Angular da Luz O Momento
angular uma grandeza fsica relacionada com a rotao de corpos.
Geralmente estudada nos cursos de Mecnica Clssica e tem grande
importncia para a descrio de muitos dispositivos e fenmenos.
36. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico O Momento angular da luz uma propriedade que desperta o
interesse da comunidade cientfica. Torcendo a luz: Aplicaes
tecnolgicas e Pesquisa Fundamental.
37. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Pinas ticas Partculas microscpicas podem ser
aprisionadas e movidas com um feixe laser. Torcendo a luz: Neste
experimento, um o momento angular da luz transferido para a
partcula que entra em movimento de rotao.
38. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao O aumento da capacidade
de processamento dos computadores (miniaturizao dos componentes
eletrnicos) tem ocorrido num ritmo to elevado que at o incio da
prxima dcada, se esse ritmo for mantido, as unidades bsicas de
computao tero dimenses atmicas.
39. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao O aumento da capacidade
de processamento dos computadores (miniaturizao dos componentes
eletrnicos) tem ocorrido num ritmo to elevado que at o incio da
prxima dcada, se esse ritmo for mantido, as unidades bsicas de
computao tero dimenses atmicas. Com essas dimenses, a fsica
utilizada para a descrio dos computadores no ser mais vlida!!
!
40. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Deveremos usar a
Mecnica Quntica para descrever os computadores dos tempos
vindouros. Isso motivou o surgimento de uma nova rea de pesquisa
intitulada Computao e Informao Quntica, que engloba os
conhecimentos da Fsica, da Matemtica, da Engenharia, da Teoria de
Computao e outros. Atualmente, os cientistas estudam vrios sistemas
candidatos para a implementao de um computador quntico. Sistemas
atmicos, Materiais Semicondutores e Sistemas ticos so os principais
candidatos.
41. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao A luz constitui um
sistema fsico formidvel para a construo de computadores mais
velozes, eficientes e seguros. um sistema que se desloca
rapidamente e no interage muito com o ambiente. Vejamos como
podemos usar a luz em tarefas computacionais.
42. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Codificando mais informao na luz Usando a polarizao e o
Momento Angular Orbital bit 0 bit 1 bit 0 bit 1 Polarizao Momento
Angular Orbital
43. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Codificando mais informao na luz Usando a polarizao e o
Momento Angular Orbital bit 0 bit 1 bit 0 bit 1 Polarizao Momento
Angular Orbital Computadores ticos e dispositivos de transmisso de
informao
44. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao No Laboratrio de tica
Quntica aqui na UFF estudamos as propriedades da luz e a sua
utilizao em sistemas ticos de computao. Recentemente, propusemos e
implementamos experimentalmente um dispositivo que simula uma Porta
Lgica de computao que utiliza a Polarizao e o Momento Angular da
Luz. Porta Lgica No-Controlado (C-NOT)
45. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Funcionamento da Porta
C-NOT controle alvo
46. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Funcionamento da Porta
C-NOT
47. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Implementao tica da
verso quntica do Dilema do Prisioneiro: sistemas de criptografia de
mensagens
48. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Implementao tica da
verso quntica do Dilema do Prisioneiro: sistemas de criptografia de
mensagens Tabela de Reduo de Pena: Caso Clssico No caso quntico:
espao de estratgias maior
49. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Aparato experimental
utilizado para implementao do jogo
50. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento
tecnolgico
51. Trs modelos distintos e vlidos para a descrio da luz:
Modelo Ondulatrio Modelo corpuscular Modelo Quntico (ftons)
Entender as propriedades da luz importante para a pesquisa e o
trabalho em vrias reas do Conhecimento Concluses