Todd Addams delibera sobre o trabalho fantástico de dois homens e uma mulher que abriram novos caminhos para a física
Nosso mundo está repleto de luz, e dependemos dela para a manutenção da vida em nosso planeta. Sendo assim, é apropriado honrar três cientistas que inventaram novas maneiras de usar raios de luz para explorar o nosso mundo.
O Prêmio Nobel de Física de 2018 foi dado a Arthur Ashkin, Gérard Mourou e Donna Strickland pelo desenvolvimento de ferramentas feitas de feixes de luz. Ashkin venceu metade do prêmio por seu trabalho com pinças ópticas – feixes de luz que podem manipular pequenos objetos como células ou átomos, enquanto Mourou e Strickland levaram a outra metade ao criarem uma tecnologia que gera pulsos de laser ultra curtos e de alta intensidade, usados para cirurgias oculares, ciências materiais, estudos de processos velozes e física de plasma, entre outras coisas.
Alfred Nobel foi específico em seu testamento: o prêmio de Física deveria ser entregue pelas descobertas ou invenções mais importantes no campo da física – e, enquanto físico, acredito que ele ficaria satisfeito ao saber que o prêmio deste ano reconhece invenções feitas nos anos 70 e 80 que levaram a aplicações práticas para beneficiar a humanidade.
Donna Strickland é apenas a terceira mulher a vencer o prêmio de Física, de 2010 ganhadores, e a primeira desde 1963. Marie Curie foi a primeira, em 1903 – e venceu mas um em 1911, na categoria de Química. Maria Goeppert-Mayer foi a segunda. Espero que, no futuro, o comitê do Nobel possa diminuir o espectro de 60 anos entre mulheres indicadas.
O que são pinças ópticas?
Utilizar luz para manipular nosso mundo tornou-se muito importante na ciência e medicina nas últimas décadas. O Nobel de Física de 2018 reconhece a invenção de ferramentas que facilitaram o avanço deste processo em muitos campos. Pinças ópticas utilizam luz para segurar pequenos objetos no lugar – ou medir seus movimentos. Pode parecer estranho que a luz possa efetivamente segurar algo, mas é sabido há mais de um século que ela pode aplicar força em objetos físicos através do que é conhecido como pressão de radiação. Em 1969, Arthur Ashkin utilizou lasers para prender e acelerar objetos microscópicos como pequenas esferas e gotículas de água.
Isso levou à invenção de pinças ópticas que usam dois ou mais feixes de luz apontados para direções opostas e mantidos no lugar. Cada vez que partículas se movem para longe do centro, encontram uma força que as empurra de volta para o meio.
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji e William D. Philips venceram o Nobel de Física de 1997 ao desenvolverem armadilhas resfriadoras de laser, conhecidas como armadilhas ópticas, que seguram átomos em um espaço confinado. Ashkin e Chu trabalharam juntos no Bell Laboratories na década de 1980, realizando o trabalho estrutural para estudos de armadilhas ópticas.
Enquanto Chu continuou trabalhando com átomos neutros, Ashkin perseguiu alvos maiores e biológicos. Em 1987, ele utilizou pinças ópticas para examinar uma bactéria individual – sem ferir o micróbio. Agora, pinças ópticas são usadas rotineiramente em estudos de células e moléculas.
Ashkin recebeu seu diploma na Columbia University e seu Ph.D. em Cornell. Ele começou no Bell Laboratories em 1952 e se aposentou em 1992. Mas ele construiu um laboratório caseiro para continuar suas investigações científicas. Ele tem mais de 45 patentes registradas.
Por que pulsos rápidos de laser são importantes?
Gerard Mourou e Donna Strickland trabalharam juntos na University of Rochester, onde desenvolveram uma técnica conhecida como chirped pulse amplification for laser light (amplificação de pulsos para luz laser, em tradução livre). Strickland estava se formando e Mourou foi seu orientador de tese no meio da década de 1980. Na época, o progresso em criar lasers mais brilhantes havia diminuído. Lasers fortes tinham a tendência de se danificarem. Strickland e Mourou inventaram uma forma de criar luzes mais intensas em pulsos mais curtos.
Você deve estar mais familiarizado com apontadores de laser ou scanners de códigos de barras – apenas algumas das formas em que usamos lasers no dia a dia. Mas esses são lasers de intensidade relativamente baixa. Muitas aplicações no campo científico precisam de aplicações bem mais fortes.
Para resolver este problema, Mourou e Strickland usaram lasers com pulsos ultra curtos, rápidas rajadas de luz separadas por tempo. Com a chirped pulse amplification, os pulsos são estendidos em tempo, tornando-os mais longos e menos intensos, e então amplificados até um milhão de vezes. Quando os pulsos são comprimidos de novo (fazendo o processo reverso da ampliação), tornam-se muito mais intensos.
Uma metáfora explicativa: pense em um elástico grosso. Quando esticado, ele fica mais fino. Quando é solto, retorna para a grossura original. Agora imagine que há uma forma de tornar o elástico esticado mais grosso. Quando ele for solto, sua forma original será ainda mais larga do que anteriormente. É isso, essencialmente, que acontece com os pulsos de laser.
Há uma variedade de formas para realizar esse “estica e amplifica”, mas praticamente todos os lasers de poder altíssimo no mundo usam alguma variação desta técnica. Desde a invenção da chirped pulse amplification, a intensidade máxima de novos lasers continuaram com um aumento dramático.
No meu próprio campo de física de partículas, lasers criados à base de chirped pulse amplification são usados para acelerar feixes de partículas, possivelmente fornecendo um caminho para uma aceleração maior em distâncias mais curtas. Isso pode levar à aceleradores com menos custo e mais energia, podendo ultrapassar os limites da física de partículas – nos permitindo detectar partículas ainda mais elusivas para entender melhor o universo.
Mas nem todos os aceleradores de partículas são gigantescos como o Large Hadron Collider, que tem uma circunferência de 27 km. Há mais de 30 mil aceleradores de partículas ao redor do mundo que são usados para preparação de materiais, tratamentos de câncer e pesquisas médicas. O trabalho de Mourou e Strickland pode ser usado para diminuir o tamanho destes aceleradores, tornando-os menores e mais baratos.
Lasers ultra rápidos e de alta intensidade também são utilizados, nos idas de hoje, em cirurgias oculares. Eles podem ser utilizados para tratar a córnea na melhora da visão de alguns pacientes. A invenção da chirped pulse amplification também é utilizada na ciência de attosegundos (que representa um fator de segundo de 10-18, ou 1/1 000 000 000 000 000 000). Ter lasers que produzem pulsos a cada attosegundo permite fotografias de processos extremamente rápidos, como quando um átomo perde um elétron (ionização) e depois o recaptura.
O trabalho que rendeu um Nobel foi a base para a tese de Ph.D. de Strickland na University of Rochester. Dra. Strickland, hoje, é uma professora associada na University of Waterloo, no Canadá. Mourou tornou-se o diretor fundador do Center for Ultrafast Optical Science na University of Michigan em 1990. Mais tarde, ele tornaria-se diretor do Laboratorie d’Optique de Applique, na França.
O Nobel de Física de 2018 ilumina o trablaho pioneiro destes três cientistas. Nas últimas três décadas, suas invenções criaram avenidas para tratamentos médicos e para a ciência que, antes, eram inatingíveis. E que certamente irão continuar beneficiando o mundo por muito tempo.
FONTE: REVISTA GALILEU
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