Para produzir luz, os lasers normalmente dependem de cavidades ópticas, pares de espelhos voltados um para o outro que amplificam a luz ao refleti-la para frente e para trás. Recentemente, alguns físicos têm investigado a geração de "luz laser" ao ar livre sem o uso de cavidades ópticas, um fenômeno conhecido como laser sem cavidade no ar atmosférico.

Pesquisadores da University of California Los Angeles (UCLA) e do Max Born Institute revelaram recentemente um mecanismo físico que leva a esse fenômeno. Esse mecanismo, descrito em um artigo na Physical Review Letters , consiste na transferência de energia mediada por fótons do nitrogênio (N 2 ) para o argônio (Ar).

"Notamos que parecia haver uma redução previamente desconhecida na taxa de ionização de Ar no regime de ionização de alto campo (usando um laser de bomba de 261 nm) em comparação com o previsto pela teoria PPT ou equação de Schrödinger dependente do tempo", disse Chan Joshi, coautor do artigo, ao Phys.org. "Queríamos descobrir se a absorção ressonante de 3 fótons de fótons de 261 nm em Ar pode estar desempenhando um papel na redução."

O estudo recente dos colegas de Joshi se baseia nos esforços experimentais anteriores da equipe. Ao conduzir seus novos experimentos, a equipe observou que a absorção de 3 fótons de fótons de 261 nm por átomos de Ar é seguida pela emissão de superfluorescência em cascata, especificamente uma emissão sem cavidade, bidirecional e semelhante a laser.

"Além disso, descobrimos inesperadamente que a superfluorescência em cascata trocava de comprimento de onda se usássemos ar que contém 1% de Ar", disse Zan Nie, o autor principal do artigo. "Uma investigação mais aprofundada desse efeito curioso revelou um novo mecanismo de laser de ar que facilita a transferência de energia radiativa do nitrogênio para o Ar."

O novo mecanismo descoberto por Joshi e seus colegas foi descoberto para permitir o lasing bidirecional, de duas cores, em cascata no ar atmosférico. Esse mecanismo poderia, portanto, abrir novos caminhos para a geração de lasing de ar reverso, que tem sido um objetivo de pesquisa de longa data dentro da comunidade da física.

"Como o ar ambiente tem componentes diferentes, investigamos esse problema misturando primeiro o argônio com diferentes componentes do ar ambiente, por exemplo, o mais e o segundo mais abundantes componentes: nitrogênio e oxigênio", explicou Joshi. "Descobriu-se que misturar nitrogênio com argônio mostrou os mesmos resultados que usar ar ambiente, enquanto misturar outros gases como oxigênio ou hélio não mostrou os mesmos resultados. Portanto, por esse experimento de comparação, podemos deduzir que a origem do laser de ar foi devido ao acoplamento entre argônio e nitrogênio."

Joshi e seus colegas também mostraram que moléculas de N 2 em um estado eletronicamente excitado exibem absorção não linear de 3 fótons para 261 nm em frequências ligeiramente deslocadas do que Ar. Essa mudança serve como o estado excitado superior para a superfluorescência em cascata que a equipe observou. Em seu artigo, os pesquisadores apresentam um modelo teórico que explica a superfluorescência e seus mecanismos subjacentes.

"A busca por laser sem cavidade eficiente em ar livre está em andamento há mais de uma década", disse Misha Ivanov, coautor do artigo. "O objetivo principal — e bastante desafiador — é atingir o laser em ambas as direções. Ou seja, você quer disparar um laser no ar e fazer com que o ar dispare uma explosão de luz semelhante a um laser de volta para você. Isso seria muito útil para sensoriamento remoto, mas é simplesmente incrivelmente legal."

Este estudo recente de Nie, Ivanov, Joshi e seus colegas revelou um mecanismo mediado por fótons até então desconhecido que transfere energia de N 2 para Ar, permitindo, em última análise, o lasing em cascata bidirecional no ar atmosférico. No futuro, esse mecanismo pode ser alavancado para realizar o lasing de ar reverso, o que pode abrir novas oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias de sensoriamento remoto.

"Nosso plano para pesquisas futuras é investigar mais detalhadamente a física desse mecanismo, como o batimento quântico", acrescentou Nie. "Simplificando, a excitação simultânea de múltiplos níveis em Ar produz oscilações dependentes do tempo de densidade de carga. Essas frequências dessas oscilações podem revelar a existência de níveis previamente desconhecidos não apenas de Ar, mas também de níveis vibracionais-rotacionais de nitrogênio que são importantes no processo de acoplamento radiativo.

"Também temos ideias para aumentar a eficiência do laser de ar reverso para promover essa técnica mais próxima de aplicações reais de sensoriamento remoto."