Físicos gravam luz se ramificando como um rio; assista

Pense no delta de um rio; a maneira como o canal principal se divide em riachos e afluentes menores. Algo semelhante a isso acontece com as ondas, quando elas se propagam por um determinado meio: o caminho da onda se divide em canais menores, como os galhos de uma árvore. E cientistas conseguiram captar esse momento em vídeo.

Isso é chamado fluxo ramificado e tem sido observado em fenômenos como a corrente elétrica, ondas sonoras e ondas do oceano. Agora, pela primeira vez, físicos observaram esse fenômeno sob luz visível - apenas com um laser e bolhas de sabão.

Dependendo da estrutura do meio, coisas diferentes podem acontecer com as ondas que viajam através dele: elas podem fluir normalmente, atenuar, espalhar, dispersar ou dobrar. Para o fluxo ramificado, são necessárias algumas propriedades específicas. A estrutura do meio deve ser aleatória e as variações espaciais na estrutura devem ser maiores que o comprimento de onda do fluxo. Ele também deve variar levemente.

Variações de espessura em membranas de sabão. Imagem: Patsyk et al., Nature 2020

Se todas essas condições forem atendidas, pequenas perturbações e flutuações na estrutura podem dispersar o fluxo, causando sua divisão.

Embora esse seja um comportamento comum às ondas, observá-lo sob luz visível provou ser um desafio. Isso até que uma equipe de físicos do Instituto de Tecnologia Technion-Israel, em Israel, e da Universidade da Flórida Central, nos Estados Unidos, pensarem em usar bolhas de sabão como o meio.

Uma membrana de sabão consiste em uma película muito fina de líquido comprimido entre duas camadas de moléculas de surfactante. A espessura desse filme varia substancialmente (cerca de cinco nanômetros a alguns micrômetros). São essas variações que produzem os padrões coloridos nas bolhas de sabão, mas também podem agir como perturbações que desviam o fluxo de luz, fazendo com que ele se ramifique. Veja no vídeo abaixo:

No entanto, isso não é fácil de fazer; a luz do laser precisa brilhar entre as duas camadas de surfactante. Os pesquisadores alcançaram isso inserindo uma fibra na membrana em um filme curvo, ou acoplando um eixo elíptico a um filme plano.

Ao ligar o laser, os físicos conseguiram observar a maneira como o raio se divide pela superfície da membrana. Quando acenderam a membrana com uma fraca luz branca, puderam notar as variações de espessura (visíveis pela diferença de cores) que dividiam o feixe.

Em geral, o fluxo de ar em torno de uma membrana de sabão faz com que o padrão se altere. Se a membrana puder ser isolada do fluxo de ar, entretanto, o padrão pode permanecer estável por vários minutos. Assim, a equipe testou o laser nos dois tipos de membranas.

As possibilidades para esta pesquisa são inúmeras. Usar bolhas como meio tem implicações na opticofluídica, que é a ciência da luz que interage com os líquidos. Essa configuração pode ser usada para investigar como as forças ópticas afetam o fluxo ramificado, por exemplo.

Os cientistas observam que o espessamento do filme poderia permitir um fluxo ramificado em três dimensões - fenômeno já levantado como hipótese, mas nunca observado em nenhum contexto. Também poderia ser usado para explorar outros fenômenos físicos, como alguns aspectos da relatividade geral.

"Os filmes finos de sabão podem ser moldados em uma variedade de superfícies curvas para estudar o fluxo ramificado no espaço curvo", escreveram os pesquisadores em seu artigo, publicado na revista Nature. "Essas experiências espaciais curvas estão intimamente relacionadas à relatividade geral".

Via: Science Alert