Informações ideais sobre o invisível

Os feixes de laser podem ser usados ​​para medir com precisão a posição ou a velocidade de um objeto. Normalmente, no entanto, é necessária uma visão clara e desobstruída desse objeto – e esse pré-requisito nem sempre é atendido. Na biomedicina, por exemplo, são examinadas estruturas que estão inseridas em um ambiente irregular e complicado. Lá, o feixe de laser é desviado, espalhado e refratado, muitas vezes impossibilitando a obtenção de dados úteis da medição.

No entanto, os pesquisadores agora conseguiram mostrar que resultados significativos podem ser obtidos mesmo em ambientes tão complicados. De fato, existe uma maneira de modificar especificamente o feixe de laser para que ele forneça exatamente as informações desejadas, mesmo em um ambiente complexo e desordenado – e não apenas aproximadamente, mas de uma maneira fisicamente ótima. A natureza não permite mais precisão com luz laser coerente. A nova tecnologia pode ser usada em campos de aplicação muito diferentes, mesmo com diferentes tipos de ondas.

“Você sempre quer alcançar a melhor precisão de medição possível – esse é um elemento central das ciências naturais”, diz Stefan Rotter, da TU Wien. “Vamos pensar, por exemplo, na enorme instalação do LIGO, que está sendo usada para detectar ondas gravitacionais. Lá, você envia feixes de laser para um espelho e as mudanças na distância entre o laser e o espelho são medidas com extrema precisão.” Isso só funciona tão bem porque o feixe de laser é enviado através de um vácuo ultra-alto. Qualquer perturbação, por menor que seja, deve ser evitada.

Mas o que você pode fazer quando está lidando com distúrbios que não podem ser removidos? Imagine um painel de vidro que não é perfeitamente transparente, mas áspero e sem polimento como uma janela de banheiro. A luz pode passar, mas não em linha reta. As ondas de luz são alteradas e espalhadas, então não podemos ver com precisão um objeto do outro lado da janela a olho nu. A situação é bastante semelhante quando você deseja examinar pequenos objetos dentro de um tecido biológico:o ambiente desordenado perturba o feixe de luz. O feixe de laser reto simples e regular torna-se então um padrão de onda complicado que é desviado em todas as direções.

No entanto, se você souber exatamente o que o ambiente perturbador está fazendo com o feixe de luz, poderá reverter a situação. Então é possível criar um padrão de onda complicado, que se transforma exatamente na forma necessária para corrigir os distúrbios e atinge exatamente onde pode fornecer o melhor resultado. Para conseguir isso, você nem precisa saber exatamente quais são os distúrbios, basta primeiro enviar um conjunto de ondas de teste pelo sistema para estudar como elas são alteradas pelo sistema.

Os pesquisadores desenvolveram um procedimento matemático que pode ser usado para calcular a onda ideal a partir desses dados de teste. Pode-se mostrar que para várias medições existem certas ondas que fornecem o máximo de informações como, por exemplo, sobre as coordenadas espaciais em que um determinado objeto está localizado.

Pegue um objeto que está escondido atrás de um vidro turvo:há uma onda de luz ideal que pode ser usada para obter a quantidade máxima de informações sobre se o objeto se moveu um pouco para a direita ou um pouco para a esquerda. Essa onda parece complicada e desordenada, mas é então modificada pelo painel turvo de tal forma que chega ao objeto exatamente da maneira desejada e retorna a maior quantidade possível de informações ao aparato de medição experimental.

O fato de o método realmente funcionar foi confirmado experimentalmente na Universidade de Utrecht (Utrecht, Holanda). Os feixes de laser foram direcionados através de um meio desordenado na forma de uma placa turva. O comportamento de dispersão do meio foi assim caracterizado. Em seguida, as ondas ideais foram calculadas para analisar um objeto além da placa - isso foi bem-sucedido, com uma precisão na faixa de nanômetros.

Em seguida, a equipe realizou outras medições para testar os limites de seu método. O número de fótons no feixe de laser foi reduzido significativamente para ver se ainda se obtém um resultado significativo. Desta forma, eles foram capazes de mostrar que o método não só funciona, mas também é ótimo no sentido físico. Eles descobriram que a precisão de seu método é limitada apenas pelo chamado ruído quântico. Esse ruído resulta do fato de que a luz consiste em fótons – nada pode ser feito a respeito. Mas dentro dos limites do que a física quântica permite um feixe de laser coerente, podemos realmente calcular as ondas ideais para medir coisas diferentes. Não apenas a posição, mas também o movimento ou a direção de rotação dos objetos.