Computadores mais rápidos, comunicação à prova de toque, melhores sensores de carro – as tecnologias quânticas têm o potencial de revolucionar nossas vidas, assim como a invenção dos computadores ou da internet fez. Especialistas em todo o mundo estão tentando implementar descobertas de pesquisas básicas em tecnologias quânticas. Para esse fim, eles geralmente exigem partículas individuais, como fótons – as partículas elementares de luz – com propriedades personalizadas.
No entanto, a obtenção de partículas individuais é complicada e requer métodos intrincados. Em um estudo publicado recentemente na revista Science , os pesquisadores agora apresentam um novo método que gera simultaneamente duas partículas individuais na forma de um par.

Física quântica fundamental em microscópios eletrônicos

A equipe internacional do Instituto Max Planck de Göttingen (MPI) para Ciências Multidisciplinares, da Universidade de Göttingen e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne (EPFL) conseguiu acoplar elétrons e fótons livres em um microscópio eletrônico. No experimento de Göttingen, o feixe de um microscópio eletrônico passa por um chip óptico integrado, fabricado pela equipe suíça. O chip consiste em um acoplamento de fibra óptica e um ressonador em forma de anel que armazena luz mantendo fótons em movimento em um caminho circular.

“Quando um elétron se espalha no ressonador inicialmente vazio, um fóton é gerado”, explica Armin Feist, cientista do MPI e um dos primeiros autores do estudo. "No processo, o elétron perde exatamente a quantidade de energia que o fóton precisa para ser criado praticamente do nada no ressonador. Como resultado, as duas partículas são acopladas por meio de sua interação e formam um par." Com um método de medição aprimorado, os físicos puderam detectar com precisão as partículas individuais envolvidas e sua manifestação simultânea.

Tecnologia quântica futura com elétrons livres

"Com o par elétron-fóton, só precisamos medir uma partícula para obter informações sobre o conteúdo de energia e aparência temporal da segunda", diz Germaine Arend, Ph.D. candidato do MPI e também primeiro autor do estudo. Isso permite que os pesquisadores usem uma partícula quântica em um experimento e, ao mesmo tempo, confirmem sua presença detectando a outra partícula, em um esquema chamado de heralding. Tal recurso é necessário para muitas aplicações em tecnologia quântica.

O diretor do Max Planck, Claus Ropers, vê os pares elétron-fóton como uma nova oportunidade para a pesquisa quântica. "O método abre novas possibilidades fascinantes na microscopia eletrônica. No campo da óptica quântica, pares de fótons emaranhados já melhoram a imagem. Com nosso trabalho, tais conceitos agora podem ser explorados com elétrons", diz Roper.

Tobias Kippenberg, professor da EPFL, acrescenta:“Pela primeira vez, trazemos elétrons livres para a caixa de ferramentas da ciência da informação quântica. ." + Explorar mais

A fotônica integrada encontra a microscopia eletrônica