A óptica quântica de campo forte é um tópico de pesquisa emergente rapidamente, que mescla elementos de fotoemissão não linear enraizados na física de campo forte com o domínio bem estabelecido da óptica quântica. Embora a distribuição de partículas de luz (isto é, fótons) tenha sido amplamente documentada tanto em fontes de luz clássicas como não clássicas, o impacto de tais distribuições nos processos de fotoemissão permanece pouco compreendido.



Pesquisadores da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) e do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz decidiram recentemente preencher esta lacuna na literatura, explorando as interações entre luz e matéria com uma fonte de luz não clássica. O artigo deles, publicado na Nature Physics , demonstra que as estatísticas de fótons da fonte de luz motriz estão impressas nas estatísticas do número de elétrons dos elétrons emitidos pelas pontas das agulhas de metal, uma observação que pode ter implicações interessantes para o desenvolvimento futuro de dispositivos ópticos.

“O campo da física de campo forte está agora altamente desenvolvido, como fica evidente no prêmio Nobel de Física de 2023”, disse Jonas Heimerl, coautor do artigo e pesquisador da FAU, ao Phys.org. "Esta física não se limita aos átomos, mas também acontece em superfícies metálicas, como pontas de agulhas de metal. De forma semelhante e ainda mais diversa é o campo da óptica quântica. Um aspecto deste campo é a geração de luz com estatísticas de luz não clássicas, como como vácuo espremido brilhante."

O objetivo principal da pesquisa mais recente de Heimerl e seus colaboradores tem sido compreender como a luz quântica proveniente de fontes de luz não clássicas interage com a matéria. Notavelmente, as interações entre luz quântica e matéria até agora só foram exploradas usando fontes de luz clássicas.

"Nossa vizinha, professora Maria Chekhova, é uma especialista líder mundial no campo da geração de vácuo comprimido brilhante, uma forma particular de luz não clássica", disse Peter Hommelhoff, coautor do artigo e pesquisador da FAU, à Phys. .org. "Assim, nos unimos a ela e ao nosso parceiro de longa data, Ido Kaminer, do Technion em Israel, para investigar a emissão de elétrons impulsionada por luz não clássica."

Heimerl, Hommelhoff e seu grupo de pesquisa na FAU realizaram seus experimentos em estreita colaboração com Chekhova, pesquisadora com vasta experiência em óptica quântica. Chekhova é especificamente conhecida por seu trabalho na geração de vácuo comprimido brilhante, uma técnica que envolve o uso de processos ópticos não lineares para gerar vácuo comprimido brilhante, uma forma de luz não clássica.

"Em nosso experimento, usamos essa fonte de luz não clássica para desencadear um processo de fotoemissão a partir de uma ponta de agulha de metal com apenas algumas dezenas de nanômetros de tamanho", explicou Heimerl. "Pense nisso como o conhecido efeito fotoelétrico estudado por Einstein, mas agora com uma fonte de luz que exibe intensidades extremas e flutuações extremas dentro de cada pulso de laser."

Para cada pulso de laser gerado, os pesquisadores contaram o número de elétrons, tanto para fontes de luz clássicas quanto não clássicas. Curiosamente, eles descobriram que o número de elétrons pode ser diretamente influenciado pela luz motriz.

"Nossas descobertas podem ser de grande interesse, especialmente para aplicações de geração de imagens com elétrons, por exemplo, quando se trata de imagens de moléculas biológicas", disse Heimerl.

Sabe-se que as moléculas biológicas são altamente propensas a danos e a redução da dose de elétrons usada para gerar imagens dessas moléculas poderia reduzir o risco de tais danos. O artigo de Heimerl et al. sugere que é possível modular o número de elétrons para atender às necessidades de aplicações específicas.

"Antes de podermos resolver isto, no entanto, temos que mostrar que também podemos imprimir outra distribuição de fotões aos electrões, nomeadamente uma com ruído reduzido, o que pode ser difícil de conseguir," disse Hommelhoff.

As descobertas deste trabalho recente poderão em breve abrir novas oportunidades para pesquisas com foco em óptica quântica de campo forte. Ao mesmo tempo, eles poderiam servir de base para novos dispositivos, incluindo sensores e óptica de campo forte que potencializam a interação entre a luz quântica e os elétrons.

"Achamos que este é apenas o começo da investigação da pesquisa experimental neste campo", acrescentou Heimerl. "Já há muito trabalho teórico em andamento, alguns dos quais são liderados pelo nosso co-autor Ido Kaminer. Um observável que ainda não investigamos, mas que carrega muita informação, é a energia do elétron, que poderia lançar ainda mais luz sobre o interação luz-matéria."