O
prêmio Nobel de 2005 presmento. Embora suas aplicações sejam
tigia mais uma vez os desenimportantes, o estudo deste instruvolvimentos científicos para
mento por si só está longe de ser
se entender e utilizar com exatidão a
concluído e constitui uma das mais
luz. Mais precisamente deveríamos
ativas áreas da investigação científica,
dizer um tipo muito especial de luz:
em especial na chamada óptica quâno laser. Dentre os muitos feitos cientica e na espectroscopia de átomos e
tíficos do século XX, poucos tiveram
sólidos. Na espectroscopia, que cona abrangência conquistada pelo laser.
siste no estudo da matéria através da
Magnífico instrumento, que tem seu
luz, o laser simplesmente tornou
funcionamento baseado nas leis funpossível entender detalhes extremadamentais da interação da radiação
mente sutis da natureza atômica e
luminosa com a matéria, o laser (light
molecular. O laser nos permite hoje
controlar o movimento de átomos,
amplified by stimulated emission radiaproduzindo a chamada física dos átotion) tem encontrado, desde sua desmos frios, onde tem sido possível a
coberta, uma vasta aplicabilidade corealização de experimentos inéditos
brindo desde as pesquisas científicas
que revelam a natureza quântica da
mais fundamentais até aplicações na
matéria macroscópica. As técnicas de
área médica, passando evidentemente
manipulação de átomos com luz fez
pela metrologia de precisão. Ao longo
surgir a chamada computação quânda sua história, muitos foram agratica. Para realizarmos estas fantásticas
ciados com o Nobel por entenderem
investigações utilizando o laser, é
cada vez melhor este instrumento, ou
preciso que ele esteja estável, livre dos
por dar a ele um uso especial. Este é o
efeitos indesejáveis causados pelos
caso dos cientistas Theodor Hänsch,
meios externos. Apesar de apenas
alemão de Munique, e de John L. Hall,
emitir luz em uma
americano de DenNa espectroscopia, o laser
única freqüência,
ver. Ambos foram
tornou possível entender
praticamente qualagraciados com o
detalhes extremamente sutis
quer efeito perturNobel de Física de
da natureza atômica e
bador externo mu2005 “pelos suas
molecular da matéria
da esta freqüência e
contribuições ao
desenvolvimentos
limita a precisão
da espectroscopia de precisão usando
com que podemos utilizar este inslaser”. Normalmente o laser é um instrumento na observação dos efeitos
trumento de altíssima precisão geomais finos. Ao longo de décadas, pesmétrica e definição em freqüência,
quisadores como J. Hall e T. Hänsch
fato que cria inúmeras possibilidades
desenvolveram técnicas que permitem
para seu uso. Nossa sociedade não
controlar os agentes perturbadores
seria a mesma caso não tivéssemos o
externos para se obter a luz laser no
laser. Desde a impressão gráfica de
seu limite de estabilidade. Dizemos
excelente qualidade até a leitura de um
limite porque, de acordo com os prindisco CD com alta fidelidade, o laser
cípios da mecânica quântica, não é
percorre todas as áreas do conhecipossível ultrapassar certos limites de
Física na Escola, v. 6, n. 2, 2005
Hall, Hänsch e a Espectroscopia de Precisão
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Vanderlei Salvador Bagnato
Instituto de Física de S. Carlos
USP
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Os professores Hall e Hänsch dividiram a outra
metade do Prêmio Nobel de Física de 2005 pelos
seus estudos em espectroscopia de precisão,
alargando as possibilidades de uso do laser em
grande parte do espectro.
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definir a velocidade da luz como valor
meras medidas que proabsoluto através do produto do commoveram avanços na
primento de onda pela freqüência.
área de metrologia e
Hoje a velocidade da luz no vácuo é
também nas medidas de
definida a partir de outras medidas
constantes fundamenespectroscópicas precisas e tem o valor
tais da natureza. Dentre
de 299.792.458 m/s. Como conseestas várias medidas de
qüência disto, o metro passou a ser
precisão está aquela que
definido como sendo a distância
permite medir o metro
percorrida pela luz em um intervalo
com luz, ou mais precide tempo de 1/299.792.458 de segunsamente, definir o metro
do. J. Hall foi figura marcante em
a partir da luz. O padrão
todo este cenário de redefinições das
“metro” deixou, há váunidades, trazendo para a Ciência as
rias décadas, de ser deficomprovações necessárias para a
nido como a barra de
credibilidade das novas definições.
platina mantida em conAliadas à metrologia, as técnicas
dições especiais em Paris.
desenvolvidas por J. Hall foram incorEsta forma de definição
poradas a muitos instrumentos ciendo metro era de difícil
tíficos, hoje empregados em laborareprodução e criava sétórios do mundo todo, permitindo
rios problemas para
grande avanço das ciências físicas e
comparações. Utilizando
da engenharia de um modo geral.
espectroscopia atômica
Semelhantemente, Theodor
de precisão, o metro pasJohn L. Hall em seu laboratório na Universidade do Colo- sou a ser definido como
Hänsch dedicou sua vida aos desafios
rado (UC) (foto: Larry Harwood, UC).
de medidas precisas, principalmente
sendo um determinado
envolvendo átomos de hidrogênio.
número de comprimenNascido em 1941 na cidade de Heideltos de onda da luz de determinada liprecisão e estabilidade. Além de conberg, na Alemanha, ele recebeu seu
nha espectral do kriptônio. Com esta
tribuírem para tornar os lasers mais
doutorado na mesma cidade em 1969.
definição, a precisão da definição do
estáveis, eles também desenvolveram
Passou por várias instituições de renometro passou a depender da precisão
técnicas utilizando estes lasers para
me mundial, tendo sido, inclusive,
de nossa capacidade em medir o comque possamos ver os detalhes mais
diretor do prestigioso Max-Planck
primento de onda da luz que é absorfinos da estrutura dos átomos e moInstitute for Quantenoptik, em
vido por vapor de kriptônio em deterléculas. É importante dizer que a cada
Garching, e professor de Física da
minadas condições, e, portanto,
vez que o homem foi capaz de superar
Ludwig-Maximilians Universitat em
passou a ser um problema da especseus limites técnicos na investigação
Munique. É praticamente impossível
troscopia de alta precisão. Outro
da natureza atômica, grandes avanços
falar em medidas de
exemplo importantécnicos e científicos formam alcanUtilizando a espectroscopia
precisão sem lemte vem da definição
çados.
atômica de precisão, o
brar o nome de T.
do “segundo”, que
John Hall, nascido em Denver em
metro foi definido como
Hänsch. Estão a ele
também deixou de
1934, obteve seu doutoramento em
sendo um determinado
associados os valoser baseada na asFísica em 1961 pelo Carnegie Instinúmero de comprimentos de
res mais precisos
tronomia e passou
tute of Technology em Pittsburgh, no
onda da luz de determinada
das medidas dos nía ser determinada
estado da Pensilvânia. Trabalhou
linha espectral do kriptônio,
veis de energia do
como o inverso da
grande parte de sua vida no National
evoluindo depois para a
átomo de hidrogêfreqüência da raInstitute of Standard and Technology
distância percorrida pela luz
nio, que permitiram
diação eletromagem Denver e também como profesem um intervalo de tempo
saber com precisão
nética necessária
sor da Universidade do Colorado. Hall
de 1/299.792.458 de
antes inimaginável
para causar transidedicou sua vida ao desenvolvimento
segundo
o valor da constante
ção atômica no átode lasers de ultra-alta precisão e estafundamental de
mo de césio. As debilidade, fato que proporcionou gerar
Rydberg, cujo valor conjuga a carga
finições atômicas das unidades básicas
ao seu redor vários grupos de pesquisa
do elétron, da massa do elétron e da
de medida de comprimento e tempo
que causaram uma verdadeira revoluconstante de Planck. A conjugação
foram alvo principal do avanço nas
ção na espectroscopia de átomos e
destas grandezas aparece com fretécnicas de estabilização de lasers.
moléculas. Em especial, as técnicas de
qüência na maioria dos fenômenos
Definidas as unidades de comprimenultra-alta precisão para espectroscoquânticos, e portanto seu conhecito e tempo a partir de medidas especpia a laser desenvolvidas por J. Hall
mento é de extremo interesse e
troscópicas ultra precisas, foi possível
permitiram-lhe a realização de inú40
Hall, Hänsch e a Espectroscopia de Precisão
Física na Escola, v. 6, n. 2, 2005
medir com maior precisão as consqüências. Este sempre foi um trabatantes fundamentais da natureza e
lho muito tedioso e que nunca atinavaliar se elas vêm mudando com o
giu as qualidades finais desejadas. Por
tempo ou não. Não apenas Hänsch,
conta destas dificuldades, a ultra-alta
mas também Hall tiveram contribuiprecisão das altas freqüências sempre
ções significativas na viabilização do
ficou atrás das micro-ondas. Recentepente de freqüência que hoje já se
mente, no entanto, as contribuições
encontra comercialmente disponível e
de Hänsch mudaram este panorama.
galopando rápido como aplicativo em
Começando com pulsos de luz muito
vários setores.
estreitos (da ordem de 10-15 de segundo) o pesquisador alemão, juntaA capacidade do homem em medir
mente com seus colaboradores, foram
com maior precisão os fenômenos da
Theodor Hänsch na Ludwig-Maximilians
capazes de produzir luz composta por
natureza sempre traz surpresas e
Universitat em Munique.
uma seqüência de freqüências indo
maior entendimento do universo no
relevância para a Ciência, pois deterdesde os valores mais baixos até os
qual estamos embebidos. É na melhominam os valores de tudo que se passa
valores mais altos, sendo que a disria de nossa capacidade de ver as coisas
em nosso mundo, incluindo mesmo
tância entre os valores sucessivos descom maior precisão que reside nossas
detalhes das origens do próprio unita seqüência de freqüências é muito
chances de progredir o conhecimento
verso. As contribem fixo. A esta
cientifico, talvez o maior tesouro da
Apesar da vastidão dos
buições de Hänsch à
seqüência de frehumanidade. Mais uma vez o Comitê
trabalhos de Hänsch, um
Nobel reconhece o esforço daqueles
espectroscopia são
qüências, deu-se o
merece destaque especial
que dedicaram sua vida a este objetiinúmeras e foram
nome de “pente de
por ter contribuído de forma
vo.
determinantes em
freqüências”. O
marcante para o avanço da
Em 2004 tivemos o prazer de reoutras áreas como
mais interessante da
metrologia de tempo de
ceber aqui no Brasil o prof. Hänsch,
as técnicas para
produção destes
freqüência: o chamado
que durante sua visita a São Carlos,
pentes de freqüênresfriar átomos.
“pente de freqüência”
nos laboratórios de física atômica,
cias é a simplicidade
Em um famoso
manifestou-se bastante impressionacom que podem ser
trabalho publicado
produzidas, utilizando-se apenas um
do pela qualidade da Física que se realipor Hänsch e A. Schawlow (ganhador
laser de pulsos curtos e uma fibra
do Nobel de Física em 1981), lançaza no Brasil de um modo geral.
óptica especial que tem propriedades
ram-se as bases das técnicas do
ópticas que permitem a
resfriamento de átomos com o objetigeração desta enorme
vo de minimizar as indesejáveis limivariedade de freqüências
tações introduzidas pelo efeito Dopatravés de fenômenos
pler durante a realização de espectroscopia de átomos e moléculas. Apesar
não-lineares. Com o deda vastidão dos trabalhos de Hänsch,
senvolvimento do “pente
um merece destaque especial por ter
de freqüências” podemos
contribuído de forma marcante para
agora levar a estabilidade
o avanço da metrologia de tempo de
e precisão para qualquer
freqüência: o chamado “pente de freparte do espectro eletroqüência”. Até pouco tempo atrás,
magnético criando uma
tínhamos a capacidade de medir frevastidão de novas aplicaqüências da radiação eletromagnética
ções e possibilidades incom altíssima precisão apenas na recríveis de melhoria das
gião de micro-ondas e radiofreqüênaplicações já existentes,
cias. Quando tentávamos fazer o
como o sistema GPS utimesmo com as freqüências mais altas
lizado na navegação.
da luz, as quais correspondem ao inEsta capacidade de levar
fra-vermelho, visível e mesmo ultraprecisão para todo especvioleta, a situação era muito diferente.
tro eletromagnético dePara poder transferir a precisão de meverá promover um
didas das baixas para as altas freqüênavanço incrível de nosso
cias, procurava-se criar as chamadas
entendimento da natucadeias de multiplicação, onde de um
reza atômica, comparelógio atômico de césio, utiliza-se
rando as características
muitos lasers e diodos especiais até se
espectrais de matéria e da Prof. T. Hänsch durante sua visita ao Brasil em 2004, em
poder chegar na faixa das altas freanti-matéria, bem como uma recepção no IFSC-USP.
Física na Escola, v. 6, n. 2, 2005
Hall, Hänsch e a Espectroscopia de Precisão
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