Simulação computacional da interação elétron-luz. A luz do laser (padrão de onda vermelho-azul) interage com a função de onda do elétron (esfera alongada) que passa nas proximidades. Esta configuração experimental única garante que o elétron troque energia com o laser de forma ressonante - alcançando as condições precisas do efeito Cherenkov. Crédito:Dahan et al.
Embora os pesquisadores tenham conduzido inúmeros estudos explorando a interação entre as ondas de luz e os sistemas de elétrons ligados, as interações quânticas entre os elétrons livres e a luz só recentemente se tornaram um tópico de interesse na comunidade da física. A observação das interações elétron-luz livre foi facilitada pela descoberta de uma técnica conhecida como microscopia eletrônica de campo próximo induzida por fótons (PINEM).
Embora alguns experimentos usando métodos PINEM tenham produzido resultados interessantes, as interações de luz de elétrons livres observadas até agora são bastante fracas. Isso ocorre principalmente porque os métodos PINEM reúnem medições localizadas e de campo próximo, sem abordar a incompatibilidade de velocidade entre os elétrons livres e a luz, que é conhecido por limitar a força de sua interação.
Pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology observaram recentemente uma forte interação entre ondas de elétrons livres e ondas de luz, usando um microscópio eletrônico híbrido, eles desenvolveram. Sua observação de correspondência de fase de elétron coerente, que também é um tipo de interação Cherenkov inversa, demonstra como a natureza das funções de onda do elétron pode alterar as interações elétron-luz.
"Esta tem sido uma longa jornada para mim, pessoalmente, como se poderia dizer que venho realizando essa experiência há 7 anos, "Ido Kaminer, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Comecei a trabalhar no efeito Cherenkov há 7 anos, na época em que me mudei para o MIT para fazer um pós-doutorado. Já naquela época, o efeito Cherenkov teve 80 anos de história desde sua primeira observação em 1934 (e um prêmio Nobel em 1958). "
O efeito Cherenkov, nomeado após Pavel Alekseevic Cherenkov, o físico que o observou pela primeira vez, é um fenômeno que ocorre quando uma partícula que carrega uma carga elétrica viaja através de um meio transparente (por exemplo, água ou ar), que pode levar à emissão de radiação eletromagnética. Se a partícula estiver viajando mais rápido do que a velocidade da luz em um meio, sua passagem pelo meio transparente causa um breve flash de luz, apelidado de luz Cherenkov.
Quando Kaminer começou a estudar o efeito Cherenkov, em 2013, foi considerado um efeito clássico; o trabalho de outros físicos, incluindo o de Vitaly Ginzburg e Lev Landau, sugeriu que a mecânica quântica não tinha consequências para esse fenômeno. As descobertas teóricas que Kaminer coletou ao longo dos anos seguintes foram, portanto, intrigantes e surpreendentes, pois eles sugeriram que o efeito Cherenkov na verdade contém fenômenos decorrentes da natureza quântica das partículas carregadas.
Ilustração da interação elétron-laser que cria o pente de energia do elétron, em que um único elétron se divide coerentemente em um amplo espectro de energias, representado pelas cores do arco-íris. A luz laser (vermelha) deve ser acoplada em um ângulo preciso para que ocorra a forte interação, resultando no elétron (ilustrado pela luz branca) absorvendo e emitindo simultaneamente centenas de fótons do laser. Como resultado, o elétron se transforma em um pente de energia de energias discretas separadas por quanta de energia de fótons (ilustrado pelo arco-íris). Crédito:Dahan et al.
"Meus resultados foram bastante controversos no início, mas ao longo de alguns anos, outros cientistas começaram a encontrar características teóricas semelhantes em efeitos relacionados, como o efeito Smith-Purcell, "Kaminer disse." Essas descobertas aumentaram o interesse geral na construção de um experimento para testar essas previsões teóricas.
Ao longo dos últimos anos, os físicos delinearam três tipos de fenômenos quânticos que podem ser teoricamente observados em experimentos relacionados ao efeito Cherenkov. O estudo recente liderado por dois alunos que fazem parte do laboratório de Kaminer no Technion, Raphael Dahan e Saar Nehemia, demonstra experimentalmente um desses efeitos pela primeira vez. Os outros dois efeitos ainda não foram confirmados em experimentos e permanecem como previsões teóricas.
"Acho que é incrível ver o progresso que fizemos como comunidade de uma perspectiva histórica, "Kaminer disse." A configuração experimental que construímos no Technion para este experimento, que se baseia em um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida, era impossível imaginar nos dias de Ginzburg e Landau. "
Kaminer e seus alunos conduziram seus experimentos usando um microscópio eletrônico híbrido que incorpora pulsos de laser feitos sob medida na Technion. Este tipo de microscópio, que é ideal para realizar experimentos do tipo Cherenkov, tem se tornado cada vez mais avançado nos últimos 10 anos, especialmente através do trabalho de Ahmed Zewail e outros cientistas renomados em todo o mundo.
Quando um elétron é iluminado, sua interação com ondas de luz é tipicamente muito fraca. A principal razão para isso é que os elétrons e as ondas de luz se movem em velocidades totalmente diferentes (ou seja, o elétron sempre se move mais devagar do que a velocidade da luz). Essa incompatibilidade de velocidade evita que a interação entre os elétrons e a luz se torne mais forte.
Em seus experimentos, Kaminer e seus alunos usaram um prisma (ou seja, um objeto transparente) para desacelerar as ondas de luz na proximidade de um elétron. Ao combinar com precisão o ângulo em que o elétron foi iluminado, eles foram capazes de diminuir a velocidade das ondas de luz até o ponto em que ela correspondeu à do elétron. Essa correspondência em sua velocidade produziu um efeito conhecido como correspondência de fase.
Imagem de microscópio óptico do prisma que os pesquisadores usaram no experimento. Este prisma de 0,5 mm foi inserido em nosso microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida, primeiro conectando-o a uma superfície de 3 mm (fundo mais escuro) com um orifício quadrado (no centro da imagem). O processo de alinhamento do prisma foi extremamente preciso para garantir que os elétrons passando nas proximidades interajam de forma ressonante com a luz no prisma. Esses elétrons então passam pelo buraco quadrado no centro da superfície. Crédito:Dahan et al.
"Nossa abordagem permitiu a observação de uma interação muito forte e outros comportamentos quânticos coerentes de elétrons livres que nunca foram vistos antes, "Kaminer explicou." A ideia de combinar a velocidade da luz com a velocidade da partícula é exatamente o efeito Cherenkov. Em outras palavras, a condição para a interação forte é a mesma necessária para o efeito Cherenkov e também é o que os cientistas em outros campos chamam de combinação de fases. O fato de que esses diferentes conceitos podem ser combinados desta forma é muito bonito, Na minha opinião."
A demonstração dos pesquisadores de correspondência de fase entre uma onda de elétron e uma onda de luz revela um novo tipo de não linearidade óptica, onde elétrons livres relativísticos assumem o papel de sólidos cristalinos ao interagirem com a luz. Além disso, os experimentos da equipe levaram à criação de um pente de energia de elétrons livres; um sistema que é de grande interesse para a pesquisa científica da attosegunda.
A ciência de atossegundos é uma área da ótica que examina especificamente os processos que ocorrem dentro de alguns attossegundos (ou seja, 10 -18 segundos), como a ionização de elétrons de um átomo ou molécula. Até aqui, a maioria dos experimentos neste campo foram conduzidos usando pulsos de laser de attossegundo, mas as descobertas reunidas por Dahan e Nehemia e outros estudantes no laboratório de Kaminer confirmam a viabilidade de usar também pulsos de elétrons attosegundos.
"De uma perspectiva fundamental, nosso experimento prova que a natureza da onda quântica de um elétron livre altera sua radiação estimulada, "Kaminer disse." Isso é algo que tem sido debatido por muitos anos e ainda está sob intensa investigação. "
O estudo recente abre novas possibilidades fascinantes para o estudo do efeito Cherenkov de uma perspectiva quântica. Em seus próximos estudos, os pesquisadores vão investigar mais a fundo o efeito que observaram, ao mesmo tempo, examinando outras questões fundamentais que permanecem sem resposta.
Por exemplo, enquanto todos os experimentos anteriores investigando o efeito Cherenkov reuniram observações de ondas de luz em três dimensões, os teóricos também levantaram a hipótese da existência de um efeito Cherenkov bidimensional. Em suas pesquisas futuras, Kaminer e seus colegas tentarão observar experimentalmente esse fenômeno único.
"A natureza quântica da luz é geralmente negligenciada nas interações com elétrons livres, mas a forte interação que alcançamos aqui pode mudar isso, "Kaminer disse." Esses efeitos quânticos possibilitam uma tecnologia importante também. Começamos a investigar aceleradores de elétrons em escala de chip em nossa configuração (chamados ACHIP, ou seja, aceleradores no chip). A natureza quântica dos elétrons levanta questões superinteressantes sobre esses dispositivos e espero que ajude a melhorá-los. "
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