Um salto quântico na microscopia ótica

Agora, os investigadores do Centro de Regensburg para a Nanoscopia Ultra-rápida, juntamente com colegas da Universidade de Birmingham, descobriram uma nova forma de ultrapassar esta limitação. Utilizando lasers normais de onda contínua, conseguiram efetuar medições ópticas a distâncias comparáveis ao espaço entre átomos individuais.
Conseguem esta incrível resolução aproximando extraordinariamente uma ponta metálica afiada da superfície de um material em estudo - separada por um espaço mais pequeno do que o tamanho de um único átomo. Um laser de onda contínua ilumina o sistema, "espremendo" a luz infravermelha na pequena fenda e concentrando-a no vértice da ponta. Confinar a luz desta forma contorna o limite de difração e permite uma resolução espacial da ordem do raio de curvatura do vértice da ponta - normalmente cerca de 10 nanómetros.

Embora isto já represente uma melhoria dramática em relação às técnicas convencionais de campo distante, é ainda um fator de 30 a mais para resolver caraterísticas à escala atómica. Determinada a encontrar o limite absoluto da resolução espacial, a equipa continuou a aproximar a ponta da superfície. O que se seguiu apanhou-os a todos de surpresa. "A distâncias muito pequenas, o sinal aumentou drasticamente", diz Felix Schiegl, da Universidade de Regensburg. "Não compreendemos imediatamente o que estava a acontecer. A verdadeira surpresa foi quando percebemos que estávamos a resolver caraterísticas à escala atómica até 0,1 nanómetros".

A explicação está na mecânica quântica. Apesar de a ponta e a superfície não se tocarem fisicamente no sentido clássico, os electrões podem fazer um túnel entre elas. O campo elétrico continuamente oscilante da luz infravermelha força os electrões a deslocarem-se para trás e para a frente entre a ponta e a superfície. Tal como os electrões que oscilam numa antena de rádio, este movimento produz um sinal eletromagnético ténue - e os investigadores conseguiram detetar esta emissão de tunelamento ótico de campo próximo (NOTA).

"É notável que apenas um eletrão que se move a uma distância menor do que o tamanho de um átomo a cada cem ciclos da luz possa produzir luz suficientemente forte para ser detectada", diz o Dr. Tom Siday da Universidade de Birmingham. A partir desta luz emitida, o movimento dos electrões entre a ponta e a amostra - e, consequentemente, as propriedades do material, como a condutividade - pode ser medido com precisão à escala atómica. "O passo decisivo é o facto de já não estarmos limitados pela forma como a luz pode ser confinada", diz Valentin Bergbauer da Universidade de Regensburg. "Em vez disso, controlamos e medimos diretamente o movimento quântico dos electrões confinados a dimensões atómicas - um salto quântico que leva a microscopia ótica a escalas de comprimento quase cem mil vezes mais pequenas do que as que os microscópios convencionais baseados na luz conseguem resolver". É importante referir que este efeito pode ser obtido utilizando um laser de onda contínua normal, em vez de lasers ultra-rápidos mais potentes mas dispendiosos que se pensava serem necessários. Esta simplicidade poderá ajudar a tornar a técnica mais acessível e acelerar a sua adoção em laboratórios de todo o mundo.

O trabalho mostra que as medições ópticas podem agora atingir distâncias antes consideradas inacessíveis, o que é possível graças ao controlo preciso de pontas atomicamente afiadas. No futuro, esta nova abordagem poderá permitir aos cientistas estudar a forma como os materiais interagem com a luz à escala dos átomos individuais, fornecendo informações sobre a forma como os processos microscópicos nestas escalas minúsculas determinam fundamentalmente as propriedades macroscópicas dos materiais.