Microscópios de luz visível permitem que os cientistas vejam objetos minúsculos, como células vivas. Ainda, eles não conseguem discernir como os elétrons são distribuídos entre os átomos nos sólidos. Agora, pesquisadores com o Prof. Eleftherios Goulielmakis dos Laboratórios de Fotônica Extrema da Universidade de Rostock e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, junto com colegas de trabalho do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências de Pequim, desenvolveram um novo tipo de microscópio óptico, chamado de Picoscópio, que supera essa limitação.

Os pesquisadores usaram poderosos flashes de laser para irradiar filmes finos de materiais cristalinos. Esses pulsos de laser levaram os elétrons do cristal a um movimento rápido e oscilante. À medida que os elétrons ricocheteavam nos elétrons circundantes, eles emitiam radiação na parte ultravioleta extrema do espectro. Ao analisar as propriedades desta radiação, os pesquisadores compuseram imagens que ilustram como a nuvem de elétrons é distribuída entre os átomos na rede cristalina de sólidos com uma resolução de algumas dezenas de picômetros, que são bilionésimos de milímetro. Os experimentos abrem caminho para uma nova classe de microscópios baseados em laser que podem permitir aos físicos, químicos, e cientistas de materiais para perscrutar os detalhes do microcosmo com resolução sem precedentes e para entender e, eventualmente, controlar as propriedades químicas e eletrônicas dos materiais.

Por décadas, os cientistas usaram flashes de luz laser para compreender o funcionamento interno do microcosmo. Esses flashes de lasers agora podem rastrear processos microscópicos ultrarrápidos dentro de sólidos. Ainda, eles não podem resolver espacialmente os elétrons, ou seja, veja como os elétrons ocupam o espaço minúsculo entre os átomos nos cristais, ou como eles formam as ligações químicas que mantêm os átomos unidos. Ernst Abbe descobriu o motivo há mais de um século. A luz visível só pode discernir objetos comensuráveis ​​em tamanho ao seu comprimento de onda, que tem aproximadamente algumas centenas de nanômetros. Mas para ver os elétrons, os microscópios precisam aumentar seu poder de ampliação alguns milhares de vezes.

Para superar essa limitação, Goulielmakis e colegas de trabalho seguiram um caminho diferente. Eles desenvolveram um microscópio que funciona com poderosos pulsos de laser. Eles apelidaram seu dispositivo de Picoscópio de Luz. "Um poderoso pulso de laser pode forçar elétrons dentro de materiais cristalinos para se tornarem fotógrafos do espaço ao seu redor, "disse Harshit Lakhotia, pesquisadora do grupo.

Quando o pulso de laser penetra dentro do cristal, ele pode agarrar um elétron e conduzi-lo a um movimento de balanço rápido. "À medida que o elétron se move, sente o espaço ao seu redor, assim como seu carro sente a superfície irregular de uma estrada esburacada, "disse Lakhotia. Quando os elétrons movidos a laser cruzam uma saliência feita por outros elétrons ou átomos, ele desacelera e emite radiação em uma frequência muito maior do que a dos lasers. "Ao registrar e analisar as propriedades dessa radiação, podemos deduzir a forma dessas pequenas saliências, e podemos desenhar imagens que mostram onde a densidade de elétrons no cristal é alta ou baixa, "disse Hee-Yong Kim, um pesquisador de doutorado no Extreme Photonics Labs. "A picoscopia a laser combina a capacidade de perscrutar a maior parte dos materiais, como raios X, e o de sondar elétrons de valência. O último é possível por microscópios de tunelamento de varredura, mas apenas em superfícies. "

Sheng Meng, do Instituto de Física, Pequim, e um físico teórico do estado sólido na equipe de pesquisa, disse, "Com um microscópio capaz de sondar, a densidade de elétrons de valência, poderemos em breve ser capazes de avaliar o desempenho de ferramentas computacionais de física de estado sólido. Podemos otimizar o moderno, modelos de última geração para prever as propriedades dos materiais com detalhes cada vez mais precisos. Este é um aspecto empolgante que a picoscopia a laser traz. "

Agora, os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver ainda mais a técnica. Eles planejam sondar elétrons em três dimensões e ainda comparar o método com uma ampla gama de materiais, incluindo 2-D e materiais topológicos. "Como a picoscopia a laser pode ser facilmente combinada com técnicas de laser resolvidas no tempo, em breve será possível gravar filmes reais de elétrons em materiais. Este é um objetivo há muito procurado nas ciências ultrarrápidas e microscopias da matéria, "Disse Goulielmakis.