Fotão

O fóton não possui carga elétrica, é geralmente considerado desprovido de massa de repouso, e é uma partícula estável. O limite superior experimental para a massa do fóton é extremamente diminuto, da ordem de 10−53 g; seu tempo de vida seria superior a 1018 anos. A título de comparação, a idade do universo é de cerca de 13,8 bilhões de anos. Comprovou-se experimentalmente que fótons individuais se propagam exatamente à velocidade da luz no vácuo, em medições que utilizam fontes anunciadas de fótons únicos. No vácuo, um fóton possui dois estados possíveis de polarização. O fóton é o bóson de calibre do eletromagnetismo,:29–30 e, portanto, todos os seus demais números quânticos (como número leptônico, número bariônico e números quânticos de sabor) são estritamente nulos. Ademais, os fótons obedecem à estatística de Bose-Einstein, e não à estatística de Fermi-Dirac. Isto é, eles não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli,:1221 permitindo que múltiplos fótons ocupem simultaneamente o mesmo estado quântico fundamental.

Na maioria das teorias científicas até o século XVIII, a luz era concebida como um feixe de corpúsculos materiais. Como os modelos puramente corpusculares encontravam severas dificuldades para explicar a refração, a difração e a birrefringência, formulações ondulatórias para a luz foram propostas por René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) e Christiaan Huygens (1678); não obstante, o modelo corpuscular manteve-se dominante em virtude do enorme prestígio de Isaac Newton. No início do século XIX, Thomas Young e Augustin-Jean Fresnel demonstraram conclusivamente os fenômenos de interferência e difração da luz, consolidando o modelo ondulatório por volta de 1850. A formulação matemática de James Clerk Maxwell em 1865 demonstrando que a luz é uma onda eletromagnética — confirmada experimentalmente por Heinrich Hertz em 1888 ao detectar ondas de rádio — parecia ter encerrado definitivamente o debate sobre a natureza puramente contínua e ondulatória da luz.

O termo latino quanta (plural de quantum, "quanto", "quanto de quantidade") já era utilizado antes de 1900 para denotar porções discretas de grandezas físicas, incluindo cargas elétricas. Em 1900, ao descrever o espectro do corpo negro, Max Planck introduziu a expressão "elementos de energia" para caracterizar as subdivisões finitas da radiação. Em seu artigo de 1905, Einstein referiu-se a essas porções como "quantum de luz" (em alemão: ein Lichtquant). O vocábulo fóton provém da raiz grega para luz, φῶς (transliterado como phôs). A palavra foi empregada em 1916 pelo psicólogo e físico norte-americano Leonard T. Troland como uma unidade fisiológica de iluminação retiniana, e circulou em outros contextos biológicos antes de ser absorvida pela física. A consagração da palavra na física decorreu de uma carta publicada por Gilbert N. Lewis na revista Nature em 18 de dezembro de 1926. Arthur Compton citou expressamente a sugestão de Lewis durante os debates do Congresso de Solvay de 1927, consolidando a terminologia na comunidade científica internacional (Einstein jamais adotou o termo em seus textos, mantendo a preferência pela expressão Lichtquant).

Os fótons comportam-se simultaneamente como ondas e corpúsculos, dependendo do arranjo experimental adotado. Ao interagir com detectores físicos, o fóton é registrado como um impacto indivisível localizado pontualmente. Por outro lado, a probabilidade de registrar esse impacto em dada coordenada espacial é governada analiticamente por equações diferenciais de onda. No experimento clássico da dupla fenda, mesmo que fótons individuais sejam disparados um a um através das aberturas, a distribuição cumulativa de seus impactos na tela após longos períodos reconstrói o padrão característico de franjas de interferência ditado pelas equações de Maxwell. Experimentos demonstram que o fóton não se comporta como um pacote de ondas clássico dispersivo: ele é emitido e absorvido integralmente por estruturas espaciais ordens de magnitude menores do que seu comprimento de onda óptico, a exemplo de núcleos atômicos (~10−15 m) ou elétrons pontuais.

Em 1924, Satyendra Nath Bose deduziu a lei de radiação de Planck sem recorrer às equações clássicas de Maxwell, valendo-se unicamente de uma modificação na contagem combinatória no espaço de fases. Einstein demonstrou que o procedimento de Bose equivalia a tratar os fótons como entidades fisicamente indistinguíveis dotadas de funções de onda simétricas sob permutação, o que revelava uma correlação quântica não clássica. A extensão desse método para partículas atômicas permitiu a Einstein prever a condensação de Bose-Einstein, verificada experimentalmente em 1995. A condensação foi empregada por Lene Hau para desacelerar e paralisar feixes de luz em meios atômicos ultra-resfriados em 1999 e 2001. Sob a ótica do teorema da estatística do spin, o fóton é categorizado como um bóson em virtude de seu spin inteiro ( S = 1 {\displaystyle S=1} ), obedecendo irrestritamente à estatística de Bose–Einstein.

Em 1916, Albert Einstein deduziu a lei de radiação de Planck estabelecendo relações estatísticas para as taxas nas quais os átomos emitem e absorvem fótons. Considere uma cavidade preenchida por radiação eletromagnética em equilíbrio térmico com átomos materiais. O equilíbrio termodinâmico exige que a densidade espectral de energia ρ ( ν ) {\displaystyle \rho (\nu )} de fótons de frequência ν {\displaystyle \nu } permaneça constante ao longo do tempo, o que impõe que a taxa de emissão de fótons em dada frequência seja rigorosamente idêntica à sua taxa de absorção. No modelo cinético de Einstein, a taxa R j i {\displaystyle R_{ji}} em que um átomo absorve um fóton e salta de um nível inferior E j {\displaystyle E_{j}} para um nível excitado E i {\displaystyle E_{i}} é proporcional ao número de átomos N j {\displaystyle N_{j}} no estado fundamental e à densidade de radiação circundante: R j i = N j B j i ρ ( ν ) {\displaystyle R_{ji}=N_{j}B_{ji}\rho (\nu )} onde B j i {\displaystyle B_{ji}} é o coeficiente de Einstein para a absorção. Para o processo inverso de desexcitação do nível E i {\displaystyle E_{i}} para E j {\displaystyle E_{j}} , Einstein identificou dois mecanismos concorrentes: a emissão que ocorre espontaneamente e a emissão induzida pela presença do campo eletromagnético incidente: R i j = N i A i j + N i B i j ρ ( ν ) {\displaystyle R_{ij}=N_{i}A_{ij}+N_{i}B_{ij}\rho (\nu )} onde A i j {\displaystyle A_{ij}} rege a emissão espontânea e B i j {\displaystyle B_{ij}} determina a emissão estimulada. No equilíbrio térmico, a igualdade R j i = R i j {\displaystyle R_{ji}=R_{ij}} associada à estatística de Maxwell-Boltzmann para as populações atômicas: N i N j = g i g j e − E i − E j k T {\displaystyle {\frac {N_{i}}{N_{j}}}={\frac {g_{i}}{g_{j}}}e^{-{\frac {E_{i}-E_{j}}{kT}}}} leva às seguintes relações fundamentais entre os coeficientes: g i B i j = g j B j i {\displaystyle g_{i}B_{ij}=g_{j}B_{ji}} A i j = 8 π h ν 3 c 3 B i j {\displaystyle A_{ij}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ij}} onde g i {\displaystyle g_{i}} e g j {\displaystyle g_{j}} são as degenerescências dos respectivos níveis energéticos.

A luz propaga-se através de meios materiais transparentes com velocidade aparente inferior a c {\displaystyle c} . A razão entre c {\displaystyle c} e a velocidade de fase no meio é denominada índice de refração ( n = c / v {\displaystyle n=c/v} ). Sob o ponto de vista clássico, essa desaceleração decorre da polarização elétrica oscilante induzida nos dipolos atômicos do meio, que emitem ondas secundárias defasadas cuja interferência com a onda primária gera uma perturbação retardada. No formalismo quântico corpuscular, o processo é descrito pelo acoplamento dos fótons com excitações quânticas elementares da rede cristalina ou da matéria (como éxcitons ou fônons), gerando quasipartículas híbridas denominadas polaritons. Como os polaritons possuem massa efetiva não nula, sua velocidade de grupo permanece inferior a c {\displaystyle c} . A dependência da velocidade com a frequência óptica manifesta-se como dispersão cromática, permitindo regimes extremos de luz lenta. Fenômenos de espalhamento inelástico de fótons por vibrações e excitações materiais manifestam-se no espalhamento Raman e no espalhamento de Brillouin.

Os fótons encontram vastas aplicações na tecnologia contemporânea: A detecção de fótons individuais é realizada por meio de diversos transdutores. A válvula fotomultiplicadora clássica baseia-se no efeito fotoelétrico: o impacto de um fóton em um fotocátodo metálico ejeta um fotoelétron que é amplificado por dínodos secundários em cascata. Sensores de imagem semicondutores como os CCDs operam com mecanismo análogo, gerando cargas eletrostáticas acumuladas em capacitores microscópicos. Em instrumentos como os contadores Geiger, o fóton de alta energia ioniza moléculas gasosas, disparando pulsos mensuráveis de condução elétrica. A relação de Planck E = h ν {\displaystyle E=h\nu } é rotineiramente empregada na engenharia química e de materiais para prever linhas de emissão atômica e projetar fontes de iluminação eficientes, tais como lâmpadas de descarga gasosa preenchidas com misturas específicas de gases nobres ou vapores metálicos.

A pesquisa em óptica quântica concentra-se na geração e manipulação de estados não clássicos de fótons. Em virtude de sua baixa taxa de decoerência e velocidade máxima de propagação, os fótons são portadores ideais de qubits para redes de comunicação quântica e computação quântica, tendo o emaranhamento quântico de pares de fótons como eixo primordial de investigação. Fenômenos ópticos não lineares — como a absorção de dois fótons, a automodulação de fase, a instabilidade modulacional e a oscilação paramétrica óptica — permitem processar fótons de modo avançado; o processo de conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC) é a ferramenta padrão de laboratório para produzir pares de fótons emaranhados e estados anunciados de fóton único. Na comunicação quântica segura, protocolos como o BB84 exploram as propriedades quânticas do fóton para viabilizar a distribuição de chaves quânticas.