Notícia

Pesquisadores medem quanto um feixe de laser comprime a água

Como a luz é uma onda eletromagnética, um feixe de laser que atravessa a água produz uma interação elétrica com a água, conhecida como eletrostrição

Dr. Mikko Partanen, Universidade Aalto

Fonte

Universidade Aalto

Data

sábado, 23 abril 2022 16:00

Áreas

Bioeletrônica. Engenharia Biomédica. Física Médica. Fotônica.

Um grupo internacional de pesquisadores coordenado pelo Dr. Nelson Astrath, professor da Universidade Estadual de Maringá (UEM), mediu a densidade de força que a luz do laser exerce dentro de uma coluna de água ao passar por ela. Esta é a primeira vez que a densidade de força exercida pela luz na matéria foi medida: experimentos anteriores apenas mediam as forças na interface de diferentes materiais, ou as forças resultantes exercidas em pequenas partículas.

Como a luz é uma onda eletromagnética, um feixe de laser que atravessa a água produz uma interação elétrica com a água, conhecida como eletrostrição, na qual a água é ‘comprimida’ em direção ao eixo do feixe de laser. Os pesquisadores comparam o fenômeno com o ato de apertar um tubo de pasta de dente: a pasta é comprimida para dentro, o que também a empurra para fora ao longo de seu comprimento, forçando um pouco de pasta de dente para fora do tubo.

A mesma analogia ajuda a explicar como os pesquisadores conseguiram medir a pequena força exercida pela luz. Ao fechar as extremidades do tubo de água com placas de vidro, eles efetivamente ‘colocam a tampa de volta no tubo de pasta de dente’. Como a compressão não conseguia forçar a saída da água ao longo do caminho do laser, a onda elástica restante que se afastava do feixe de laser tornou-se o principal efeito da luz. Depois de medir as propriedades dessa onda, os pesquisadores puderam calcular as forças envolvidas.

Os experimentos, que foram realizados no Brasil, tiveram que controlar outras interações que poderiam anular esse efeito. “Por exemplo, os lasers também aquecem uma pequena quantidade de água por um breve momento, fazendo com que ela se expanda”, disseram o Dr. Mauro Baesso e o doutorando Gabriel Flizikowski, da UEM. Para evitar isso, a equipe teve que usar água ultrapura, sem nada que pudesse aquecer absorvendo mais energia eletromagnética do que a própria água pura. O comprimento de onda do laser também foi cuidadosamente controlado para minimizar a absorção.

“Os átomos se agrupam mais próximos uns dos outros em eletrostrição, aumentando a densidade. Essa constrição é o oposto da expansão térmica que normalmente segue a absorção eletromagnética à temperatura ambiente. Por causa disso, a compressão só pode ser medida em materiais que têm muito pouca absorção eletromagnética”, disse o Dr. Mikko Partanen, pesquisador da Universidade Aalto e coautor do estudo.

Além dos experimentos, os pesquisadores produziram um modelo teórico para explicar seus resultados. No entanto, é necessário mais trabalho para entender adequadamente os diferentes aspectos do modelo do ponto de vista da teoria da relatividade especial.

O estudo expande a pesquisa do vencedor do Prêmio Nobel Dr. Arthur Ashkin, que resultou no desenvolvimento de pinças ópticas para manipular minúsculas partículas de matéria com luz. A nova pesquisa ajuda a compreender como a densidade de energia e o campo óptico das pinças afetam a matéria que está sendo manipulada.

“A pesquisa poderia ser aplicada, por exemplo, à biologia ou à medicina. Se a eletrostrição óptica puder ser usada para controlar as propriedades mecânicas da matéria, ela poderia ser utilizada em sistemas microeletromecânicos ópticos”, concluiu o Dr. Jukka Tulkki, professor da Universidade Aalto.

Os resultados foram publicados na revista científica Light- Science and Applications.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Aalto (em inglês).

Fonte: Universidade Aalto. Imagem: Ilustração artística da distribuição radial de pressão na água quando excitada por um pulso de laser. Fonte: Dr. Mikko Partanen, Universidade Aalto.

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