Microscopia no limite do espaço-tempo
A microscopia de tunelamento de varredura ultrarrápida atinge, pela primeira vez, o limite espaço-temporal da mecânica quântica: será esta a chave para controlar as reações químicas?
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O famoso princípio da incerteza de Werner Heisenberg descreve uma das características mais intrigantes da física quântica: certos pares de grandezas físicas que descrevem uma partícula, tais como a posição e o momento, não podem ser determinados simultaneamente com precisão arbitrária — não por causa de instrumentos de medição imprecisos, mas porque a natureza o proíbe. Entre a posição e o tempo, no entanto, não existe o princípio da incerteza de Heisenberg. Uma equipa de investigação composta por vários grupos da RUN, liderada pelos professores Jascha Repp, Rupert Huber, Franz Giessibl e Klaus Richter, bem como por uma equipa do Instituto Max Planck, em Hamburgo, liderada por Angel Rubio, observou agora, pela primeira vez, que a localização e a evolução temporal de um eletrão não podem ser medidas simultaneamente com precisão arbitrária. Este chamado «limite espaço-temporal» tem implicações importantes para aplicações futuras.
Representação artística de um pacote de ondas de eletrões extremamente curto (azul) na fronteira entre o espaço e o tempo. O flash de eletrões, que dura apenas attossegundos, é gerado entre a ponta de um microscópio especial e uma amostra de material. É desencadeado por impulsos de luz infravermelha controlados com precisão (não ilustrados). Uma nuvem de eletrões envolve o sistema, tornada visível por simulações por computador.
Brad Baxley (parttowhole.com)
Muitas tecnologias futuras, desde as tecnologias verdes e quânticas até à eletrónica de alto desempenho para a inteligência artificial, exigem uma compreensão precisa de como a matéria funciona a nível microscópico: como ocorrem as reações químicas, como a luz interage com a matéria e como os eletrões se movem através dos componentes eletrónicos. Imagens estáticas de alta resolução dos blocos de construção microscópicos da matéria não são suficientes para isso; em vez disso, são necessários vídeos em câmara lenta com resolução temporal do nanocosmos.
No Centro de Nanoscopia Ultrarrápida de Regensburg (RUN), são desenvolvidos microscópios ultrarrápidos que são utilizados para captar diretamente o movimento de eletrões, átomos e moléculas em vídeos microscópicos em câmara lenta com a mais elevada resolução espacial e temporal possível. Há dez anos, em Regensburg, o movimento de uma única molécula no espaço e no tempo foi resolvido pela primeira vez utilizando microscopia de tunelamento de varredura ultrarrápida. Em comparação com os átomos e as moléculas, nesta escala de comprimento os eletrões movem-se mil vezes mais depressa — nomeadamente, em escalas de tempo da ordem dos attossegundos. As ordens de grandeza são extremas: um átomo é cerca de dez milhões de vezes menor do que um milímetro, e um attossegundo é um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. Assim, um attossegundo relaciona-se com um segundo da mesma forma que um segundo se relaciona com a idade do universo. O que é particularmente fascinante é que o movimento dos eletrões não obedece às leis da mecânica clássica, mas sim às estranhas regras da física quântica.
Para alcançar um aumento correspondente na resolução temporal em comparação com experiências anteriores e para visualizar e controlar diretamente a dinâmica quântica de eletrões individuais, os investigadores desenvolveram um novo sistema de laser. Utilizando os seus impulsos de laser, controlam o movimento dos eletrões nestas escalas temporais extremas, de tal forma que os eletrões se transferem de uma ponta metálica com precisão atómica para uma superfície de prata, numa distância de apenas alguns diâmetros atómicos. Estes movimentos dos eletrões são medidos como corrente, e a informação temporal é obtida através da utilização de dois impulsos de luz.
Simon Maier, o autor principal do artigo, explica: «Ao variar o intervalo de tempo entre os dois impulsos de laser, podemos observar diretamente como os eletrões respondem.» O movimento dos eletrões observado desta forma apresenta sinais em escalas de tempo da ordem dos attossegundos — o que significa que os pulsos de luz conseguem transferir eletrões nessas escalas de tempo, e é possível observar esse processo. O que torna isto especial é o facto de os eletrões não se moverem como partículas clássicas. Pelo contrário, enquanto ondas da mecânica quântica, os eletrões penetram na barreira de energia entre a ponta e a amostra, para a qual, na verdade, não possuem energia suficiente de acordo com as leis da física clássica. Eles «tunelam» através dela, como se estivessem a atravessar uma parede maciça sem a destruir. «A nossa medição pode ser entendida como uma câmara de alta velocidade para os pacotes de ondas de eletrões, uma vez que é possível ver em que momento o processo de tunelamento ocorre», explica Katharina Glöckl, doutoranda e coautora da publicação.
Para compreender melhor a dinâmica microscópica dos eletrões no «limite espaço-temporal», o grupo do Prof. Angel Rubio realizou simulações quânticas complexas. Os cálculos explicam os resultados experimentais com uma precisão notável. Mostram também que o eletrão não segue o campo de luz imediatamente, mas com um pequeno atraso de 500 attossegundos.
Nesta região de fronteira das mais pequenas escalas espaciais e temporais, os limites físicos fundamentais da física quântica tornam-se evidentes a vários níveis. O efeito dos impulsos de laser, por exemplo, não pode ser claramente atribuído nem ao modelo ondulatório nem ao modelo fotónico da luz, mas apresenta características de ambos — e foi precisamente isso que permitiu aos investigadores penetrar tão profundamente no «limite espaço-temporal». Quando os eletrões são deslocados por impulsos de luz em escalas temporais tão curtas, isso tem consequências complexas para a distribuição espacial dos eletrões, que são descritos na mecânica quântica como pacotes de ondas.
Raffael Spachtholz, também coautor do artigo, explica: «Quanto mais precisamente quisermos determinar a posição do eletrão no tempo, mais energia precisamos de fornecer. E, como resultado, o pacote de ondas do eletrão espalha-se mais espacialmente.» A equipa investigou esta relação utilizando um único átomo colocado na superfície para confinar os pacotes de ondas de eletrões a nível atómico, imediatamente antes da chegada dos impulsos de luz. Isto permitiu-lhes determinar diretamente a relação entre a dispersão espacial e temporal dos pacotes de ondas de eletrões. Felizmente, apesar da forte excitação, os pacotes de onda dos eletrões permanecem espacialmente definidos com nitidez suficiente para permitir a microscopia com resolução atómica em escalas de tempo da ordem dos attossegundos.
Com este mais recente avanço, a equipa está a ultrapassar os limites de um restrição espaço-temporal das funções de onda eletrónicas da mecânica quântica — anteriormente apenas vagamente suspeitada —, a fim de investigar sistematicamente, pela primeira vez, como a dinâmica temporal dos eletrões molda a estrutura espacial da sua função de onda. Isto também abre possibilidades totalmente novas para aplicações. Por exemplo, a transferência de um eletrão para uma molécula corresponde à menor transferência de carga possível; no entanto, se o eletrão estiver confinado a um minúsculo volume espaço-temporal, isto corresponde a densidades de corrente de pico locais extremamente elevadas, de até 1 trilião de amperes por centímetro quadrado. «No futuro, pretendemos utilizar esses pacotes de ondas para desencadear especificamente reações químicas e observar, nas escalas de comprimento e de tempo relevantes, como as ligações químicas podem ser quebradas ou alteradas», explica o Prof. Jascha Repp com entusiasmo. «A longo prazo, os conhecimentos adquiridos poderão também contribuir para o funcionamento da eletrónica e do processamento de informação quântica ao limite de velocidade intrínseco do próprio movimento dos eletrões — centenas de milhares de vezes mais rápido do que a tecnologia CMOS atualmente dominante», acrescenta o Prof. Rupert Huber. Os dois líderes do projeto concordam que as potenciais aplicações dos eletrões no limite espaço-temporal são agora mais limitadas pela imaginação humana do que pela própria natureza.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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