Físicos descobrem que nenhuma substância pode ser totalmente transparente

O Guinness World Records reconhece Ivan Smalyukh como o criador do material mais transparente já registrado. O laboratório dele na Universidade do Colorado em Boulder desenvolveu géis que podem ser aplicados no isolamento de janelas, ajustados com tanto cuidado que conseguem desviar a luz quase na mesma intensidade que o ar, superando a clareza do vidro convencional.

Esse avanço e outros progressos recentes poderiam indicar que a ciência caminha rumo à criação de uma substância perfeitamente transparente. Contudo, essa expectativa foi recentemente derrubada quando um grupo de físicos teóricos demonstrou que nenhum meio capaz de curvar a luz pode atingir total transparência, por causa de um processo quântico que converte ondas luminosas em ondas sonoras. Os pesquisadores sustentam que mesmo a engenharia mais avançada jamais conseguirá fabricar um material que retenha integralmente a luz que o atravessa, embora essa perda possa ser extremamente reduzida.

Os géis criados por Smalyukh já se aproximam bastante desse patamar, mas foram concebidos para espessuras finas: uma camada com trinta centímetros de espessura transmitiria uma quantidade muito pequena de luz. Se o objetivo é enxergar a longas distâncias, obtém-se resultados melhores utilizando cabos de fibra óptica, semelhantes aos que conectam a internet através dos oceanos. As fibras ópticas conduzem a luz por trajetos sinuosos ao longo de quilômetros antes de precisarem amplificar os sinais para o trecho seguinte.

Para superar esse desempenho, recorre-se a uma substância ainda mais incomum. Ao resfriar hélio até poucos graus acima do zero absoluto, ele se transforma em um líquido chamado superfluido. Nele, a mecânica quântica coordena o movimento dos átomos, permitindo que o líquido flua sem qualquer atrito. O hélio líquido, em particular, apresenta uma limpidez impressionante e, embora absorva raios X, os cientistas ainda não conseguiram mensurar qualquer impacto sobre a luz visível.

Limitações impostas pela natureza

Os físicos teóricos Alberto Nicolis, Federico Piazza e Angelo Esposito dedicaram suas carreiras a estudar materiais quânticos exóticos, a exemplo do hélio superfluido. Nicolis e Piazza investigavam o comportamento de um meio dotado do máximo nível de transparência viável. Ele precisaria ser frio, para evitar que a luz se dissipasse na agitação térmica de moléculas em movimento, e inerte, sem reações químicas ou correntes elétricas capazes de absorver luz como fonte de energia. A expectativa da dupla era de que tal meio ainda absorveria algumas partículas de luz, chamadas fótons, por meio de interações quânticas sutis, e decidiram calcular o volume dessa perda luminosa.

Os dois cientistas expuseram a ideia a Esposito, que percebido ter feito um cálculo semelhante — não para a luz, mas para a matéria escura. Ele tentava descobrir como detectar uma partícula hipotética denominada fóton escuro e constatou que ela poderia ser identificada caso colidisse com um núcleo atômico em hélio superfluido.

“In interacting with one of the nuclei, it gives it a kick”, afirmou Esposito.

Esse impacto geraria uma vibração diminuta, uma espécie de onda sonora quântica. Com ocorrências sucessivas, os fótons escuros perderiam energia. Esposito compreendeu que o mesmo fenômeno deveria ocorrer com fótons comuns. Com o tempo, eles perderiam tanta energia que se tornariam indetectáveis.

Esse desfecho pode demorar a acontecer. O superfluido perfeito idealizado pelos físicos é tão límpido que a luz conseguiria atravessar o diâmetro da Terra antes de apresentar atenuação perceptível. Apesar disso, a luz acabaria esmaecendo. Embora o modelo teórico descreva apenas superfluidos, os autores preveem que outras substâncias obedeçam a dinâmicas equivalentes.

“I think it’s universal for all materials”, declarou Esposito. O grupo publicou as conclusões na plataforma de preprints arXiv.org em 8 de outubro.

“I find this work super interesting”, comentou Borna Salehian, físico do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, que não participou do estudo. “In theoretical physics, we look for fundamental limitations set by nature. This paper precisely gives one!”