Uma corrente de tunelamento ultrarrápida flui entre o átomo de fronteira de uma ponta afiada e uma amostra em resposta a um campo eletromagnético incidente. Esta corrente atomicamente confinada leva à emissão de luz, transportando informações sobre o funcionamento interno dos processos quânticos. Crédito:Brad Baxley Na década de 1880, Heinrich Hertz descobriu que uma faísca saltando entre duas peças de metal emite um flash de luz – ondas eletromagnéticas de oscilação rápida – que pode ser captado por uma antena. Para homenagear seu trabalho inovador, a unidade de frequência foi chamada de "Hertz" em 1930. As descobertas de Hertz foram posteriormente usadas por Guglielmo Marconi (Prêmio Nobel de Física, 1909) para transmitir informações por longas distâncias, criando comunicação por rádio e revolucionando a telegrafia sem fio - moldando o mundo moderno até hoje.
Cientistas do Departamento de Física e do Centro de Nanoscopia Ultrarrápida (RUN) de Regensburg, da Universidade de Regensburg, conseguiram agora observar diretamente uma versão quântica da faísca de Hertz saltando entre apenas dois átomos, medindo o oscilograma da luz que ela emite com temporais. precisão mais rápida do que um único ciclo de oscilação da onda de luz.
Este novo sinal permitiu alcançar um objetivo há muito almejado:resolução espacial atômica em microscopia totalmente óptica. Sendo um canal de comunicação sem precedentes com o mundo quântico, este sinal pode ser crucial para o desenvolvimento de tecnologias quânticas super-rápidas, uma vez que fornece novos conhecimentos sobre os processos que ocorrem em escalas de comprimento de átomos únicos e em escalas de tempo mais rápidas do que um trilionésimo de segundo.
A equipe de físicos usou uma ponta atomicamente afiada para focar a luz na pequena lacuna entre o ápice da ponta e uma superfície de amostra chamada região de campo próximo – desta vez a lacuna foi mantida com apenas alguns átomos de largura com precisão subatômica.
Na física clássica, onde os elétrons são imaginados como partículas minúsculas e carregadas, os elétrons não conseguem penetrar nessa lacuna. No entanto, a proximidade da amostra atômica revela a segunda natureza das partículas na mecânica quântica:seu comportamento ondulatório. A maior parte da onda de elétrons estará na ponta, mas uma pequena fração também residirá na lacuna dentro da amostra, como se uma pessoa estivesse em ambos os lados de uma porta ao mesmo tempo.
Essa dualidade onda-partícula quântica contra-intuitiva se manifesta em uma corrente mensurável experimentalmente de elétrons escavando através da pequena lacuna. No entanto, agora este processo é conduzido de forma extremamente rápida através da utilização de ondas de luz, os campos eléctricos alternados mais rápidos que os físicos podem controlar. O campo elétrico oscilante da luz libera os elétrons de tunelamento para frente e para trás entre o átomo fronteiriço da ponta e a amostra, acionando assim a versão quântica da centelha de Hertz.
“Detectar a emissão hertziana de um punhado de elétrons por ciclo de oscilação da luz parecia uma missão impossível à primeira vista”, diz o primeiro autor, Tom Siday. "Imagine a nossa surpresa, quando descobrimos um sinal forte - tudo graças à ponta ultraestável que funciona como uma antena que transmite esta onda da escala atómica."
Os autores chamaram esta nova técnica de microscopia de “emissão de tunelamento óptico de campo próximo” (NOTE). Essas descobertas abrem a porta para a observação direta de ondas de matéria rolando em escalas de comprimento atômico em câmera lenta. Os resultados são publicados na Nature .
Esta descoberta revolucionária tornou-se possível com um microscópio óptico ultrarrápido exclusivo que combina resolução espacial extrema de um microscópio de sonda de varredura de última geração com medição de sinal totalmente óptica - "luz entra, luz sai".
"A eletrônica é fenomenalmente sensível, mas muito lenta para seguir diretamente as oscilações atuais na centelha quântica impulsionada pelas ondas de luz, então é preciso olhar para dentro das oscilações da própria luz emitida", explica o autor sênior Rupert Huber.
"O NOTA nasceu quando observamos que as ondas de luz que chegavam e saíam eram deslocadas no tempo em um quarto do período de oscilação - apenas um quarto de trilionésimo de segundo em nosso experimento! Tínhamos que garantir que toda a nossa configuração óptica fosse suficientemente estável para detectamos esta pequena mudança e que temos controle absoluto do campo de luz oscilante", continua um dos autores principais, Johannes Hayes.
"A ponta da antena tem que permanecer no topo do mesmo átomo, mesmo no centro do foco intenso de poderosos pulsos de laser - tudo dentro de uma distância inferior a um décimo milésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano. Somente o experimental mais estável as condições são boas o suficiente", conclui outro autor principal, Felix Schiegl.
Decifrar esse sinal telegráfico quântico ainda é um desafio. Não basta considerar apenas os dois átomos, entre os quais salta a centelha quântica, pois a dinâmica é muito influenciada pelo entorno. Para simular a partir dos primeiros princípios a resposta quântica de um impressionante 10
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átomos, Jan Wilhelm usou um supercomputador para reproduzir a mudança de tempo de assinatura do sinal NOTA e fornecer os primeiros insights sobre o fluxo quântico de elétrons impulsionado por ondas de luz e a distorção de orbitais atômicos.
NOTA já permitiu a descoberta de novas físicas. "Os elétrons que cruzam a ponta até a amostra e depois retornam são quase hipotéticos - invisíveis para a eletrônica, mas não para a NOTA", explica o autor correspondente Yaroslav Gerasimenko.
"Eles só precisam ficar embaixo da ponta até que o campo de luz mude de direção para poder retornar." Ao observar um isolante atomicamente fino – um material que resiste à propagação de elétrons – os físicos tiveram um primeiro vislumbre dessas correntes de matéria ultrarrápidas e agora podem examinar a dinâmica em escala atômica anteriormente oculta em camadas isolantes onipresentes na eletrônica e na energia fotovoltaica.
Esses novos resultados apresentam um avanço inovador na microscopia óptica, levando-a simultaneamente às escalas finais de comprimento e tempo. A observação direta de correntes de tunelamento ultrarrápidas poderia permitir uma compreensão sem precedentes da dinâmica eletrônica em materiais quânticos e plataformas quânticas para computação e armazenamento de dados.
Além disso, a NOTA abre a porta para a dinâmica de campo forte em escala atômica, como a eletrônica de ondas de luz. A descoberta deste canal de comunicação com o mundo quântico poderia, tal como as descobertas de Hertz há mais de 100 anos, desencadear uma revolução na transferência de informação. Além disso, pode ser a chave para a compreensão da dinâmica microscópica que molda os dispositivos de amanhã.
