Físicos da Universidade de Konstanz, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Munique) e a Universidade de Regensburg demonstraram com sucesso que os pulsos de elétrons ultracurtos experimentam uma mudança de fase mecânica quântica por meio de sua interação com ondas de luz em materiais nanofotônicos, que pode revelar a funcionalidade dos nanomateriais. Os experimentos e resultados correspondentes são relatados na última edição da Science Advances.

Materiais nanofotônicos e metamateriais

Muitos materiais encontrados na natureza podem influenciar as ondas eletromagnéticas, como a luz, de diferentes maneiras. Contudo, gerar novos efeitos ópticos com a finalidade de desenvolver células solares particularmente eficientes, dispositivos de camuflagem ou catalisadores muitas vezes requerem estruturas artificiais, os chamados metamateriais. Esses materiais alcançam suas propriedades extraordinárias por meio de estruturação sofisticada em nanoescala, isto é, através de um arranjo em forma de grade dos menores blocos de construção em escalas de comprimento bem abaixo do comprimento de onda da excitação.

A caracterização e o desenvolvimento de tais metamateriais requerem uma compreensão profunda de como as ondas de luz incidentes se comportam quando atingem essas estruturas minúsculas e como elas interagem com elas. Consequentemente, as nanoestruturas excitadas opticamente e seus campos eletromagnéticos próximos devem ser medidos em resoluções espaciais na faixa de nanômetros (~ 10 ^-9 m) e, ao mesmo tempo, em resoluções temporais abaixo da duração do ciclo de excitação (~ 10 ^-15 s). Contudo, isso não pode ser alcançado apenas com a microscopia de luz convencional.

Difração ultrarrápida de elétrons de nanoestruturas opticamente excitadas

Em contraste com a luz, elétrons têm uma massa de repouso e, portanto, oferecem 100, Resolução espacial 000 vezes melhor do que os fótons. Além disso, elétrons podem ser usados ​​para sondar campos eletromagnéticos e potenciais devido às suas cargas. Uma equipe liderada pelo professor Peter Baum (Universidade de Konstanz) conseguiu agora aplicar pulsos de elétrons extremamente curtos para realizar tal medição. Para esse fim, a duração dos pulsos de elétrons foi comprimida no tempo por meio de radiação terahertz a tal ponto que os pesquisadores foram capazes de resolver as oscilações ópticas dos campos eletromagnéticos próximos nas nanoestruturas em detalhes.

Altas resoluções espaciais e temporais

"O desafio envolvido neste experimento está em garantir que a resolução seja suficientemente alta no espaço e no tempo. Para evitar efeitos de carga espacial, usamos apenas elétrons únicos por pulso e aceleramos esses elétrons para energias de 75 quiloelétrons volts, "explica o professor Peter Baum, último autor do estudo e chefe do grupo de trabalho luz e matéria do Departamento de Física da Universidade de Konstanz. Ao ser espalhado pelas nanoestruturas, esses pulsos de elétrons extremamente curtos interferem entre si devido às suas propriedades mecânicas quânticas e geram uma imagem de difração da amostra.

Interação com os campos eletromagnéticos e potenciais

A investigação das nanoestruturas excitadas ópticas é baseada no conhecido princípio de experimentos com bomba-sonda. Após a excitação óptica dos campos próximos, o pulso de elétron ultracurto chega a um ponto definido no tempo e mede os campos congelados no tempo no espaço e no tempo. "De acordo com as previsões de Aharonov e Bohm, os elétrons experimentam uma mudança de fase mecânica quântica de sua função de onda ao viajar através de potenciais eletromagnéticos, "explica Kathrin Mohler, pesquisador doutorado na LMU Munique e primeiro autor do estudo. Essas mudanças de fase induzidas opticamente fornecem informações sobre a dinâmica ultrarrápida da luz nas nanoestruturas, em última análise, entregando uma sequência de imagens semelhante a um filme que revela a interação da luz com as nanoestruturas.

Um novo regime de aplicação para holografia e difração de elétrons

Esses experimentos ilustram como a holografia e difração de elétrons podem ser aproveitadas no futuro para melhorar nossa compreensão das interações luz-matéria fundamentais subjacentes a materiais nanofotônicos e metamateriais. A longo prazo, isso pode até levar ao desenvolvimento e otimização de ópticas compactas, novas células solares ou catalisadores eficientes.