Telégrafo sem fio entre átomos leva microscópios ao limite

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/05/2024

Uma corrente de tunelamento flui entre o átomo de fronteira de uma ponta afiada e uma amostra, em resposta a um campo eletromagnético incidente. Essa corrente leva à emissão de luz, por sua vez contendo informações sobre o funcionamento interno dos processos quânticos.
[Imagem: Brad Baxley]

Emissão de Hertz

Na década de 1880, Heinrich Hertz descobriu que uma faísca saltando entre duas peças de metal emite um flash de luz, que nada mais é do que um punhado de ondas eletromagnéticas de oscilação rápida, e que essas ondas podem ser captadas por uma antena - em homenagem a esse trabalho inovador, a unidade de frequência foi batizada de "Hertz" em 1930.

As descobertas de Hertz foram posteriormente usadas por Guglielmo Marconi (Prêmio Nobel de Física de 1909) para transmitir informações por longas distâncias, criando a transmissão via ondas de rádio - na época chamada de telegrafia sem fios -, revolucionando as comunicações e moldando o mundo até hoje.

Agora, Tom Siday e colegas da Universidade de Regensburg, na Alemanha, descobriram a versão quântica da fagulha de Hertz: Essa "fagulha" salta entre apenas dois átomos, mas é forte o suficiente para ser medida por meio de um oscilograma da luz, uma representação de um sinal ao longo do tempo, mais tipicamente usado para estudar ondas sonoras.

A vantagem é que a equipe conseguiu medir o fenômeno com uma precisão temporal mais rápida do que um único ciclo de oscilação da onda de luz. Isso representa um canal de comunicação sem precedentes com o mundo quântico, o que pode ser crucial para o desenvolvimento de tecnologias super-rápidas, uma vez que fornece novos conhecimentos sobre os processos que ocorrem em escalas de comprimento de átomos individuais e em escalas de tempo mais rápidas do que um trilionésimo de segundo.

E a equipe já demonstrou o potencial de sua descoberta, usando os sinais atômicos para alcançar um objetivo há muito almejado: Uma resolução espacial atômica em microscopia totalmente óptica.

É um novo tipo de microscópio de varredura, funcionando inteiramente no regime óptico.
[Imagem: T. Siday et al. - 10.1038/s41586-024-07355-7]

Telégrafo sem fio quântico

A equipe usou uma ponta atomicamente afiada para focar a luz na pequena lacuna entre a extremidade da própria ponta e uma superfície da amostra, chamada região de campo próximo - a lacuna tem apenas alguns átomos de largura.

Na física clássica, onde os elétrons são imaginados como partículas minúsculas com carga elétrica, eles não conseguem atravessar uma lacuna como essa. No entanto, a proximidade entre a amostra atômica e a ponta de medição revela a segunda natureza das partículas na mecânica quântica: Seu comportamento ondulatório. A maior parte da onda do elétron fica na ponta, mas uma pequena fração também residirá na lacuna, como se uma pessoa estivesse em ambos os lados de uma porta ao mesmo tempo.

Essa dualidade onda-partícula se manifesta em uma corrente mensurável de elétrons "voando" através da pequena lacuna, um fenômeno conhecido como tunelamento quântico. A equipe então alimentou esse processo de forma extremamente rápida usando ondas de luz, que podem ser vistas como os campos elétricos alternados mais rápidos que se consegue controlar. O campo elétrico oscilante da luz força os elétrons em tunelamento para frente e para trás, fazendo-os "transitar" entre o átomo fronteiriço da ponta e os átomos da amostra, criando assim a versão quântica da centelha de Hertz.

"Detectar a emissão hertziana de um punhado de elétrons por ciclo de oscilação da luz parecia uma missão impossível à primeira vista," comentou Siday. "Imagine nossa surpresa quando descobrimos um sinal forte - tudo graças à ponta ultraestável que atua como uma antena que transmite essa onda em escala atômica."

Microscopia quântica

Os pesquisadores batizaram esta nova técnica de microscopia de "emissão de tunelamento óptico de campo próximo" (NOTE: Near-field Optical Tunneling Emission). Esta inovação abre as portas para a observação direta de ondas de matéria (partículas de matéria encaradas como ondas) se movendo em escalas de comprimento atômico e em câmera lenta, levando a microscopia para os limites das escalas de tempo e de espaço simultaneamente.

Além disso, a observação direta de correntes de tunelamento ultrarrápidas poderá permitir uma compreensão totalmente nova da dinâmica eletrônica em materiais e plataformas para computação e armazenamento de dados.

Mais tópicos