Investigadores detectam movimentos atómicos minúsculos em cristais
As descobertas abrem novos caminhos para o estudo de processos ultra-rápidos em materiais
Uma equipa de investigadores da Universidade TU Dortmund, da Universidade de Paderborn e da Universidade de Nottingham desenvolveu um novo método ótico para detetar movimentos atómicos ultra-fracos. A experiência realizada em Dortmund demonstrou uma sensibilidade sem precedentes na deteção do movimento atómico em cristais, explorando a interferência da luz. As descobertas, recentemente publicadas na revista Nature Materials, abrem novos caminhos para o estudo de processos ultra-rápidos nos materiais.
As medições ópticas precisas baseiam-se em interferómetros, em que o feixe que sonda uma distância de interesse interfere com um feixe de referência que percorre um caminho fixo. Isto permite avaliar a diferença de comprimento de trajetória dos dois feixes com elevada precisão. Um exemplo notável são os interferómetros gravitacionais, que detectam ondas gravitacionais induzidas por um acontecimento distante no universo, como a colisão de buracos negros. Para atingir a sensibilidade pretendida, o interferómetro LIGO tem um comprimento geométrico de 4 quilómetros, que é aumentado para 1120 quilómetros efectivos através da passagem dos feixes pelo interferómetro várias vezes. Isto permite medições de alterações relativas dos comprimentos dos braços do interferómetro na ordem dos 10-²², o que corresponde a cerca de 10-¹⁸ metros. Esta é uma diferença de comprimento extremamente pequena, cerca de um milésimo do raio do protão. Isto também requer um feixe de laser de 200 watts de potência, amplificado para 700 quilowatts no ressonador formado pelo interferómetro.
A equipa internacional de investigadores de Dortmund, Paderborn e Nottingham conseguiu agora efetuar medições interferométricas de deslocamentos atómicos de magnitude absoluta comparável, utilizando como interferómetro a chamada super-rede de semicondutores - uma estrutura periódica de camadas nanométricas de semicondutores fabricada na Universidade de Paderborn. A diferença decisiva é que o tamanho efetivo deste interferómetro é apenas da ordem de 1 micrómetro, ou seja, mil milhões de vezes mais pequeno do que os interferómetros gravitacionais. Além disso, a potência laser média utilizada é também mil milhões de vezes inferior, da ordem de apenas 1 microwatt.
Na experiência de validação, a deteção interferométrica foi também utilizada para observar um acontecimento distante. Um pulso de laser de 100 femtossegundos - ou seja, 10-¹³ segundos - aqueceu uma película metálica depositada sobre uma placa cristalina, provocando um aumento de temperatura de 0,1 graus e uma expansão térmica da película inferior a 100 attómetros, ou seja, 10-¹⁶ metros. "A onda acústica gerada por esta expansão térmica ultra-rápida e minúscula, que não podia ser detectada por nenhuma técnica experimental anteriormente conhecida, foi detectada com segurança no lado oposto da placa ao atingir a super-rede", diz Marek Karzel, do grupo de trabalho do Dr. Alexey Scherbakov no Departamento de Física, que realizou a experiência-chave. O seu colega, Dr. Anton Samusev, assinala a diferença em relação à experiência LIGO: "Ao contrário do interferómetro LIGO, o método desenvolvido não detecta eventos individuais, mas requer múltiplas medições para atingir uma relação sinal/ruído suficiente. No entanto, este requisito é gerível num laboratório experimental onde as medições podem ser repetidas milhões de vezes por segundo, ao contrário dos eventos astronómicos onde a colisão de dois buracos negros ocorre apenas uma vez".
Esta investigação abre enormes possibilidades para o estudo de materiais, bem como para a metrologia quântica que envolve quanta únicos de vibrações da rede cristalina, conhecidos como fónons.
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