Física

Qualquer estudante de física sabe desde as primeiras aulas de óptica que a luz se move em linha reta, sem ser afetada por outros raios de luz – os feixes de duas lanternas não refletem um no outro. No entanto, Martin Wimmer, da Universidade Friedrich Schiller em Jena, Alemanha, e colegas usaram uma técnica baseada na chamada dimensão sintética para criar pulsos de luz que interagem e se comportam coletivamente como um superfluido [1]. Ao fazê-lo, eles demonstraram que esta é uma plataforma ajustável para explorar a interação entre interações de muitos corpos, topologia e dissipação – características que são centrais para muitos campos da física.

Para compreender a dimensão sintética, que é crucial para estas experiências, note que uma dimensão habitual do espaço é definida através de um conjunto de localizações combinadas com uma noção de “localidade”: as partículas podem interagir e mover-se apenas para locais próximos. As dimensões sintéticas replicam esta localidade usando graus de liberdade não espaciais, o que pode oferecer maior flexibilidade para engenharia e medição, em comparação com as dimensões espaciais. Os pesquisadores já aproveitaram esses benefícios implementando dimensões sintéticas em uma série de plataformas, que usaram para estudar física emocionante, incluindo acoplamento spin-órbita e uma infinidade de fenômenos topológicos [2, 3].

Para realizar uma dimensão sintética para a luz, Wimmer e colegas usam uma rede de malha óptica: uma configuração experimental na qual os tempos de chegada dos pulsos de luz servem como análogo da posição (Fig. 1). Em seu experimento, o tempo é dividido em intervalos T, e cada intervalo representa um passo de tempo discreto, t=1,2,…. Posições discretas correspondentes a locais em uma rede (x=…,−2,−1,0,−1,2,…) são mapeadas nesta sequência de tempo como subintervalos separados uns dos outros por Δt. Um pulso chegando em T representa a posição da rede x=0, por exemplo, enquanto um pulso em T−Δt representa x=−1. Mover-se de uma posição da rede para outra (por exemplo, de −1 para −2) corresponde a uma mudança no tempo de chegada do pulso de luz em relação a T (neste caso, de T−Δt para T−2Δt). Este processo imita o movimento no espaço real: como uma partícula só pode se mover no espaço passando por pontos próximos, seu análogo na dimensão sintética pode se mover apenas para locais próximos da rede.

Para implementar esse movimento na dimensão sintética, os pesquisadores unem dois laços de cabo de fibra óptica de comprimentos ligeiramente diferentes por meio de um divisor de feixe. A luz se propaga ao redor do loop curto no tempo T − Δt e ao redor do loop longo em T + Δt. Portanto, um pulso de luz na posição sintética x e no passo de tempo sintético t será deslocado para x−1 ou x+1 no passo de tempo t+1 se passar pelo loop curto ou longo, respectivamente. Depois que um pulso completa um loop, o divisor de feixe o divide em duas partes iguais que continuam através de ambos os loops.

Embora este movimento sintético não seja muito interessante por si só, o sistema físico específico no qual a dimensão sintética é realizada permite capacidades poderosas. Aqui, a resposta dielétrica não linear da fibra usada no experimento produz uma mudança de fase dependente da potência, o que significa que vários pulsos de luz interagem quando se sobrepõem dentro de um loop. Essas interações mudam o comportamento do sistema de um gás ideal para um com propriedades semelhantes às de um fluido. Redes de malha óptica exibindo tais interações luz-luz foram usadas anteriormente para estudar fenômenos como sólitons [4, 5] e efeitos topológicos não-Hermitianos [6–8], mas propriedades de fluidos decorrentes de interações e movimento - em particular, superfluido- como fluxo – não foram observados até agora.

Wimmer e colegas medem a velocidade do “som” neste fluido de luz, onde o som se refere a ondas que se propagam na dimensão sintética. A sua técnica é semelhante a deixar cair uma pedra num lago: ao repelir parte da água do lago, a pedra provoca ondulações, que se espalham à velocidade das ondas da água. Neste experimento, a “lagoa” é um fluido aproximadamente homogêneo que abrange cerca de dez locais sintéticos; a “pedra” é uma força repulsiva que os pesquisadores geram em torno de alguns locais no centro do fluido. Essa força repulsiva produz ondulações de luz que se propagam para fora na dimensão sintética na velocidade do som do superfluido leve. As medições de como as ondulações se propagam concordam qualitativamente (com alguns desvios provavelmente devido a imperfeições experimentais) com a teoria hidrodinâmica. Especificamente, a luz atua como um superfluido, que atravessa obstáculos sem dissipação.