A estranheza quântica está abrindo novas portas para microscópios eletrônicos, ferramentas poderosas usadas para imagens de alta resolução.
Dois novos avanços do laboratório do físico da UO Ben McMorran estão refinando os microscópios. Ambos vêm do aproveitamento de um princípio fundamental da mecânica quântica:que um elétron pode se comportar simultaneamente como uma onda e uma partícula. É um dos muitos exemplos de peculiaridades estranhas de nível quântico em que partículas subatômicas geralmente se comportam de maneiras que parecem violar as leis da física clássica.

Um dos estudos encontra uma maneira de estudar um objeto sob o microscópio sem entrar em contato com ele, evitando que o osciloscópio danifique amostras frágeis. E o segundo concebe uma maneira de fazer duas medições em uma amostra de uma só vez, dando uma maneira de estudar como as partículas nesse objeto estão potencialmente interagindo em distâncias.

McMorran e seus colegas relatam suas descobertas em dois artigos, ambos publicados na revista Physical Review Letters .

“Muitas vezes é difícil observar algo sem influenciá-lo, especialmente quando você está olhando para detalhes”, disse McMorran. “A física quântica parece fornecer uma maneira de olharmos mais para as coisas sem interrompê-las”.

Os microscópios eletrônicos são usados ​​para obter imagens de perto de proteínas e células, bem como amostras não biológicas, como novos tipos de materiais. Em vez da luz usada em microscópios mais tradicionais, os microscópios eletrônicos focam um feixe de elétrons em uma amostra. À medida que o feixe interage com a amostra, algumas de suas características mudam. Um detector mede as mudanças no feixe, que então são traduzidas em uma imagem de alta resolução.

Mas esse poderoso feixe de elétrons pode causar danos a estruturas frágeis na amostra. Com o tempo, pode degradar os próprios detalhes que os cientistas estão tentando estudar.

Como solução alternativa, a equipe de McMorran usou um experimento mental publicado no início da década de 1990, que propunha uma maneira de detectar uma bomba sensível sem tocá-la e arriscar detoná-la.

O truque se baseia em uma ferramenta chamada grade de difração, uma membrana fina com fendas microscópicas. Quando o feixe de elétrons atinge a grade de difração, ele se divide em dois.

Com o alinhamento correto dessas grades de difração de divisão de feixe, "o elétron entra e é dividido em dois caminhos, mas depois se recombina de tal forma que só vai para uma das duas saídas possíveis", disse Amy Turner, estudante de pós-graduação da McMorran's laboratório que liderou o primeiro estudo. "A ideia é que quando você coloca uma amostra, a interação do elétron consigo mesmo é interrompida."

Nesta configuração, os elétrons não atingem a amostra como fazem na microscopia eletrônica tradicional. Em vez disso, a forma como o feixe de elétrons se recombina revela informações sobre a amostra sob o osciloscópio.

Em outro estudo, a equipe de McMorran usou uma configuração de grade de difração semelhante para medir uma amostra em dois lugares ao mesmo tempo. Eles dividiram um feixe de elétrons para que ele passasse de cada lado de uma pequena partícula de ouro, medindo os minúsculos pedaços de energia que os elétrons transferiram para a partícula em cada lado.

Essa abordagem pode revelar nuances sensíveis de nível atômico sobre uma amostra, entendendo a maneira como as partículas estão interagindo em uma amostra.

“O que há de especial nisso é que você pode olhar para duas partes separadas e depois combiná-las para ver se é uma oscilação coletiva ou se não estão correlacionadas”, disse Cameron Johnson, pesquisador de pós-doutorado no Lawrence Berkeley National Lab, que fez seu trabalho de doutorado no laboratório de McMorran e liderou o estudo. "Podemos ir além dos limites das resoluções de energia do microscópio e interações de sonda que normalmente são inalcançáveis".

Embora os dois estudos estejam fazendo diferentes tipos de medições, eles estão usando a mesma configuração básica, conhecida como interferometria. Os membros da equipe de McMorran acham que sua ferramenta pode ser útil além de seu próprio laboratório, para uma variedade de tipos diferentes de experimentos.

"Este é o primeiro interferômetro de elétrons desse tipo", disse Turner. "As pessoas já usaram grades de difração antes, mas esta é uma versão funcional e flexível que pode ser ajustada para diferentes experimentos."

Com os materiais e instruções corretos, a configuração pode ser adicionada a muitos microscópios eletrônicos existentes, disse McMorran. Sua equipe já atraiu o interesse de pesquisadores de outros laboratórios que querem usar o interferômetro em seus próprios microscópios.

"Um microscópio eletrônico nos permite ver coisas em escala atômica, mas muitas coisas são difíceis de ver, como materiais biológicos que são bastante invisíveis aos elétrons e facilmente danificados", acrescentou McMorran. “Mas aqui mostramos que podemos usar as propriedades de ondas quânticas dos elétrons para ajudar a contornar esses problemas, bem como para obter informações sobre a natureza fundamental de como essas ondas de elétrons interagem com campos eletromagnéticos como a luz”. + Explorar mais

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