Por que devemos agradecer a Einstein pelas câmeras dos nossos smartphones

• • Author, Chris Baraniuk
  • Role, Do Serviço Mundial da BBC

• Há 14 minutos

O engenheiro pegou um disparador de flash da câmera fotográfica, apontou para a minúscula placa de circuito impresso do computador que estava sobre a mesa e disparou.

Por uma fração de segundo, a luz invadiu a sala. Todos piscaram — e viram que o computador estava arruinado.

A equipe Raspberry Pi acabava de confirmar que seu produto (um computador de baixo custo, vendido para escolas e entusiastas da eletrônica) odiava que alguém tirasse sua fotografia. Ou, pelo menos, que alguém o fotografasse com uma grande lâmpada de flash de xenônio.

"Todos nós nos divertíamos destruindo a máquina", relembra Eben Upton, fundador da Raspberry Pi.

Eles perceberam que havia um chip no computador que era susceptível ao efeito fotoelétrico, que ocorre quando a luz aciona a liberação de elétrons e, com isso, uma corrente elétrica. Uma espécie de "interruptor de luz" reverso, por assim dizer.

Para resolver a questão, nas versões seguintes do computador, o chip problemático recebeu um espesso revestimento preto, para absorver a luz recebida.

Albert Einstein (1879-1955) já havia descrito o efeito fotoelétrico em um estudo revolucionário, mais de um século antes. Era um dos quatro estudos fundamentais publicados por ele em 1905, quando ainda trabalhava no escritório suíço de patentes.

Em 1921, aquele estudo renderia a ele o Prêmio Nobel de Física.

O efeito fotoelétrico seria a base de todo tipo de tecnologia, como alarmes contra ladrões, painéis solares e a câmera do seu telefone celular.

'Fenômeno estranho'

Para entendermos melhor, vamos partir da mesma questão que chamou a atenção de Einstein em 1904: do que é composta a luz?

Na época, muitos cientistas imaginavam que a luz existisse puramente na forma de onda. Alguns sugeriam que ela viajasse pelo Universo em um "éter portador de luz", que preenchia o universo e era intangível.

Mas, para Einstein, esta ideia parecia ridícula "como o Papai Noel", segundo Steve Gimbel, do Gettysburg College, nos Estados Unidos.

Cientistas como Heinrich Hertz (1857-1894) já haviam demonstrado versões do efeito fotoelétrico, usando a luz para gerar faíscas minúsculas ou para carregar eletricamente pedaços de folhas de ouro, fazendo com que elas se repelissem.

"Havia certos fenômenos estranhos e não explicados, em que a luz conseguia criar eletricidade", explica Gimbel. "Aquilo simplesmente atordoava as pessoas, pois não parecia fazer sentido."

O mais estranho era que a intensidade da luz não afetava a energia dos elétrons produzidos, mas sim sua frequência ou coloração.

Isso era desconcertante. Mais luz deveria significar mais energia, certo?

Einstein percebeu que, se a luz não fosse composta apenas de ondas, mas também de discretos pacotes ou partículas que viajavam em ondas, talvez a energia dessas partículas individuais pudesse explicar esta questão.

Estas partículas viriam a ser chamadas de fótons.

"Quando um único fóton atinge um elétron, ele o excita", explica Paul Davies, da Universidade de York, no Reino Unido. "Enquanto aquele fóton tiver energia suficiente, ocorre o efeito fotoelétrico, que libera o elétron do material."

Pense nisso como tentar lançar balas de canhão de um barril usando pequenos bastões de dinamite.

As explosões fracas não são suficientes para mover a bala, não importa quantas vezes você tente. Mas se você usar dinamite mais potente, com energia suficiente, a bala será lançada com força.

O valor da energia de um fóton é diretamente relacionado à cor da luz visível. Fótons de luz azul viajam em ondas mais curtas e têm mais energia que a luz vermelha, por exemplo.

Por isso, Hertz descobriu que a luz ultravioleta, particularmente cheia de energia, produzia faíscas mais fortes durante um dos seus experimentos.

Alarmes de neblina e células fotovoltaicas

Gimbel destaca que Einstein não criou essa teoria do nada.

Ele contava não só com o trabalho de Hertz e outros, mas também com a teoria quântica de Max Planck (1858-1947) — a ideia de que a radiação, incluindo a luz, consiste de discretos pacotes de energia.

"Einstein tinha uma mente revolucionária, disposta a considerar outras abordagens", explica Gimbel. "Ele levou a sério a ideia de que a luz poderia ser quantizada."

Alguns membros do comitê de Física do Nobel da época hesitaram em conceder o prêmio para ele. E, quando o fizeram, preferiram premiar seu trabalho sobre o efeito fotoelétrico, não sobre a relatividade.

Os cientistas questionam há muito tempo se esta terá sido a melhor decisão, mas existem poucas dúvidas de que o uso do efeito fotoelétrico mudou a forma de operação do nosso mundo. Muitas tecnologias dependem desta descoberta.

Os sensores de movimento dos sistemas de alarme contra ladrões, por exemplo, emitem um feixe de luz infravermelha. Quando este feixe é interrompido por um intruso, a luz recebida pelo sensor se altera, mudando a corrente elétrica, o que dispara o alarme.

As linhas de chegada das provas dos Jogos Olímpicos usam células fotoelétricas para detectar exatamente quando os participantes as atingem.

A mesma tecnologia permitiu aos navios detectar neblina e ativar automaticamente os alarmes. Ela também faz com que os carros liguem espontaneamente os limpadores de para-brisa quando chove.

Rigorosamente, o efeito fotoelétrico indica um fenômeno que faz com que os elétrons fujam de um material.

Mas Davies afirma que ele tem relação próxima com o efeito fotovoltaico, que faz com que o movimento dos elétrons gere uma corrente elétrica que flui através de materiais adjacentes.

Este efeito ocorre nas células dos painéis solares, quando elas transformam a luz do sol em eletricidade, fornecendo energia limpa e renovável para as redes elétricas e ajudando a combater as mudanças climáticas.

Sensores de silício

Outra aplicação popular do efeito fotoelétrico ocorre nos sensores das câmeras fotográficas — a parte das câmeras digitais que é sensível à luz e captura as imagens.

Quase todas elas usam a tecnologia CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar, na sigla em inglês). Ela foi desenvolvida pela Nasa nos anos 1990 para uso no espaço, mas acabou sendo instalada em bilhões de smartphones.

"O sensor de imagens CMOS é o aparelho perfeito para isso, por assim dizer", afirma o engenheiro Eric Fossum, que trabalhou no projeto. "Ele acabou sendo o aplicativo definitivo.

O silício é o principal material usado nos sensores CMOS. E Fossum, agora no Dartmouth College, nos Estados Unidos, destaca que o efeito fotoelétrico no silício é acionado pela luz de muitas cores.

"Não importa se é luz verde, vermelha ou azul", explica ele. "Um fóton irá liberar exatamente um elétron. É meio que um golpe de sorte para nós."

De fato, isso ajuda quando você quer capturar a cor de um objeto com todos os detalhes.

Agora, Fossum e seus colegas trabalham em sensores de imagens sensíveis a um único fóton, que é a menor partícula de luz imaginável.

Estes aparelhos, também conhecidos como contadores de fótons, já são utilizados para experimentos de laboratório. Mas eles também podem revolucionar as tecnologias de formação de imagens digitais, por exemplo, melhorando a qualidade de imagem dos aparelhos médicos de tomografia computadorizada e expondo os pacientes a menos radiação.

E as possíveis aplicações não param por aqui. "Com esta nova tecnologia, teremos a capacidade de enxergar praticamente no escuro", prevê Fossum.

Outra cientista que trabalha com aparelhos que fazem uso do efeito fotoelétrico é Dimitra Georgiadou, da Universidade de Southampton, no Reino Unido.

Ela e seus colegas desenvolvem tecnologias que podem detectar a luz e processar informações sobre ela, sem necessidade de enviar dados para um sistema de computador central para análise. "Isso reduz significativamente a quantidade de energia necessária", segundo Georgiadou.

Este desenvolvimento poderá ajudar os pesquisadores a desenvolver olhos biônicos altamente avançados, fornecendo visão a pessoas com deficiência visual.

Ele também permitirá projetar aparelhos menores, de implantação mais fácil e com uso mais eficiente de energia. E os carros autônomos também poderão tomar decisões mais rápidas sobre o momento de frear, aumentando sua segurança.

Brilho lunar

A tecnologia de sensor de luz estudada por Georgiadou não emprega silício, mas sim materiais orgânicos, que contêm carbono. Eles podem ser sintonizados para reagir apenas a cores de luzes específicas e também ser impressos sobre substratos flexíveis.

Esta tecnologia pode ser usada em sensores de luz vestíveis de baixa potência, para acompanhar os batimentos cardíacos e os níveis de oxigênio no sangue de bebês prematuros, por exemplo, lançando pequenas quantidades de luz através da pele, até as veias.

Desde que Einstein publicou sua teoria do efeito fotoelétrico, em 1905, certamente imaginamos muitas coisas engraçadas para fazer com ela. Mas há muito mais do que isso.

Compreender esta incrível interação entre a luz e a matéria revelou detalhes curiosos sobre a forma de funcionamento do Universo.

Mas a Lua não tem uma atmosfera como a da Terra. E é a difusão da luz pelas partículas da nossa atmosfera que cria o nascer e o pôr do sol, à medida que o planeta gira em torno do seu eixo.

Então, de onde vem aquele brilho lunar?

Descobriu-se que a luz do Sol atinge a poeira da superfície da Lua e o efeito fotoelétrico faz com que ela adquira carga elétrica positiva.

Essas pequenas partículas de poeira se repelem mutuamente e levitam periodicamente acima da superfície lunar. Quando isso acontece, elas capturam a luz do recente pôr do sol, criando aquele brilho mágico.

Esta reportagem foi criada em coprodução entre a instituição Nobel Prize Outreach e a BBC.