Cientistas usam luz solar para gerar pares de fótons correlacionados

Pesquisadores da Universidade de Xiamen, liderados por Wuhong Zhang e Lixiang Chen, demonstraram uma inovação significativa na geração de pares de fótons correlacionados utilizando a luz solar. Este avanço foi publicado na revista Advanced Photonics, onde a equipe descreve o uso de um sistema experimental que utiliza a luz solar como única fonte de bombeamento para a conversão paramétrica espontânea descendente (SPDC).

A SPDC é um processo óptico não linear fundamental na óptica quântica, geralmente dependente de lasers estáveis e coerentes para bombear cristais não lineares. No entanto, a pesquisa recente revelou que fontes parcialmente coerentes, como a luz solar, também podem impulsionar a SPDC, transferindo suas propriedades de coerência para os pares de fótons gerados. Segundo o portal Phys.org, essa descoberta abre novas possibilidades para a geração de fótons em ambientes remotos ou extremos, eliminando a necessidade de lasers e fontes de energia externas.

O sistema desenvolvido pelos pesquisadores inclui um dispositivo automático de rastreamento solar, semelhante a um telescópio equatorial, que coleta continuamente a luz solar ao longo do dia. Essa luz é então canalizada por uma fibra óptica multimodo de 20 metros até um laboratório escuro, onde bombeia um cristal não linear de titanato de potássio e fósforo periodicamente polarizado (PPKTP).

Apesar dos desafios inerentes à iluminação solar, o sistema conseguiu gerar pares de fótons com fortes correlações de posição. Para demonstrar o desempenho, a equipe utilizou os pares de fótons para realizar imagens fantasmas, uma técnica em que uma imagem é reconstruída usando fótons correlacionados em vez de detecção espacial direta. O sistema movido a luz solar alcançou uma visibilidade de imagem fantasma de 90,7%, comparável à visibilidade de 95,5% obtida com um laser convencional de 405 nm na mesma potência de bombeamento.

Além da imagem de fenda dupla, os pesquisadores reconstruíram uma imagem bidimensional mais complexa, um “rosto fantasma”, mostrando que a abordagem funciona para estruturas espaciais detalhadas. Os autores destacam que o amplo espectro da luz solar permite o quase-ajuste de fase no cristal não linear, produzindo um grande número de pares de fótons correlacionados por posição. Ao acumular dados por longos períodos, o sistema melhora as relações sinal-ruído e contraste-ruído, demonstrando operação estável apesar da variabilidade da fonte solar.

Este trabalho representa a primeira demonstração experimental de SPDC movida a luz solar e seu uso em imagens fantasmas. Ao eliminar a necessidade de lasers e energia elétrica externa, a abordagem permite uma fonte totalmente passiva de pares de fótons correlacionados. Os pesquisadores observam que tais sistemas podem ser particularmente valiosos para aplicações de imagem quântica e informação em ambientes espaciais ou remotos. Melhorias futuras na coleta de luz solar, design de cristais e métodos de reconstrução, como sensoriamento comprimido ou aprendizado de máquina, podem aumentar a velocidade e a qualidade da imagem, apoiando a implantação em situações reais.