É o contrário do que se poderia esperar: Quando os átomos ficam suficientemente apertados, eles não conseguem "capturar" os fótons - e então a luz passa.
[Imagem: Yair Margalit et al. - 10.1126/science.abi6153]
Três equipes de físicos, trabalhando independentemente, fizeram um experimento que parece contrariar a própria forma como vemos o mundo.
Veja, por exemplo, a atmosfera da Terra, um conjunto de gases que deixa passar não apenas a luz, mas quase todos os tipos de radiação; agora condense um pouco mais as coisas, em uma nuvem, por exemplo, e apenas uma tênue claridade do Sol conseguirá passar; vá aumentando a densidade do material e você verá ele se tornar opaco, primeiro à luz, mas em seguida a quase todas as demais formas de radiação - você não encontrará muitas coisas que consigam atravessar uma barreira de chumbo, por exemplo.
Os experimentos realizados agora fazem com que tudo isso funcione ao contrário: Quando a matéria se torna superdensa, ela se torna transparente.
Tudo começou em 1990, quando Kristian Helmerson, M. Xiao e David Pritchard lançaram uma teoria propondo que, se um gás fosse resfriado até perto do zero absoluto e posto sob alta pressão, as duas coisas ao mesmo tempo, sua interação com a luz se modificaria radicalmente.
Agora, essa teoria pôde pela primeira vez ser observada na prática - e não apenas de um, mas de três modos diferentes.
"O que nós observamos é uma forma muito especial e simples de bloqueio de Pauli, que impede um átomo de fazer o que todos os átomos fariam naturalmente: espalhar luz. Esta é a primeira observação clara de que esse efeito existe, e mostra um novo fenômeno na física," disse o professor John Arthur, do MIT, membro de uma das equipes que demonstrou o fenômeno experimentalmente.
Princípio da exclusão de Pauli ilustrado na forma de um auditório: A plateia em suas fileiras explica como os elétrons ficam presos em seus orbitais.
Matéria mais densa se torna transparente
O bloqueio de Pauli a que o físico se refere - mais conhecido como princípio de exclusão de Pauli - refere-se a uma propriedade fundamental da física atômica, que impede que um elétron passe para um orbital mais interno, de energia mais baixa, se aquele orbital estiver totalmente ocupado.
Parece simples, mas isto explica não apenas a estrutura em orbitais concêntricos dos átomos, mas também a diversidade de elementos da Tabela Periódica e até a estabilidade do Universo material.
Normalmente, quando a luz penetra em um material - uma nuvem de átomos - as partículas podem se chocar e se espalhar como bolas de bilhar, espalhando fótons em todas as direções - é essa irradiação da luz para todos os lados que torna a matéria visível.
No entanto, Helmerson e seus colegas previram que, quando os átomos são suficientemente resfriados e comprimidos uns contra os outros, o efeito Pauli entra em ação e as partículas podem efetivamente ficar sem espaço para espalhar a luz.
Essa situação de frio extremo e alta pressão é conhecido como "mar de Fermi": As partículas tornam-se incapazes de se mover, então a luz não consegue transmitir-lhes momento. Como a luz que é absorvida pelas partículas ou que ricocheteia nelas confere momento, a luz é forçada a passar sem interagir com o gás. O resultado é que os fótons passam sem serem espalhados, tornando a nuvem de átomos transparente.
"Um átomo só consegue espalhar um fóton se ele puder absorver a força de seu chute movendo-se para outra cadeira," exemplificou o professor Wolfgang Ketterle, invocando a analogia dos orbitais dos elétrons com os assentos de um auditório. "Se todas as outras cadeiras estiverem ocupadas, ele não terá mais a capacidade de absorver o chute e espalhar o fóton. Assim, o átomo se torna transparente."
As três equipes de experimentalistas, que agora demonstraram esse fenômeno na prática, acreditam que, quando eles conseguirem forçar as condições ainda mais, a temperaturas mais próximas ao zero absoluto, a nuvem se tornará totalmente invisível.
Melhorar os computadores quânticos
Todas as três equipes (MIT e Universidade do Colorado, nos EUA, e Universidade de Otago, na Nova Zelândia) realizaram experimentos semelhantes, embora com átomos diferentes, mas todos presos em armadilhas magnéticas.
Todos os resultados foram semelhantes, com a luz espalhada pelos gases sendo significativamente menor quando eles eram frios e densos o suficiente para formar um mar de Fermi.
Agora os físicos pretendem tirar proveito desse fenômeno para desenvolver materiais supressores de luz e para melhorar os relógios atômicos e os computadores quânticos.
Neste último caso, os átomos usados como qubits são extremamente sensíveis à luz incidente, que funciona como ruído, fazendo-os perder os dados. Assim, colocar esses qubits em um mar de Fermi poderia diminuir essa sensibilidade e ajudá-los a manter seus estados quânticos por mais tempo, aumentando a estabilidade dos processadores.
Artigo: Pauli blocking of atom-light scattering
Autores: Christian Sanner, Lindsay Sonderhouse, Ross B. Hutson, Lingfeng Yan, William R. Milner, Jun Ye