Físicos da Universidade de Regensburg coreografaram a mudança de um nível de energia eletrônica quantizada com oscilações atômicas mais rápidas do que um trilionésimo de segundo.



Jogando uma bola para o alto, pode-se transferir energia arbitrária para a bola, de modo que ela voe mais alto ou mais baixo. Uma das estranhezas da física quântica é que as partículas, por exemplo, os electrões, muitas vezes só podem assumir valores de energia quantizados – como se a bola estivesse a saltar entre alturas específicas, como degraus de uma escada, em vez de voar continuamente.

Qubits e computadores quânticos, bem como pontos quânticos emissores de luz (Prêmio Nobel 2023) fazem uso deste princípio. No entanto, os níveis de energia eletrônica podem ser alterados por colisões com outros elétrons ou átomos. Os processos no mundo quântico geralmente ocorrem em escalas atômicas e também são incrivelmente rápidos.

Usando um novo tipo de microscópio ultrarrápido, uma equipe de Regensburg conseguiu agora observar diretamente com resolução atômica em escalas de tempo ultrarrápidas como a energia de um único elétron é ajustada pelas vibrações dos átomos circundantes. Notavelmente, eles também foram capazes de controlar especificamente esse processo. Essas descobertas podem ser cruciais para o desenvolvimento de tecnologias quânticas super-rápidas.

Os físicos usaram um material atomicamente fino para investigar como um nível discreto de energia muda quando essa camada atômica se move para cima e para baixo como a membrana de um tambor. Eles observaram isso em uma vacância – o vazio deixado quando um átomo individual é removido.

Esses cristais bidimensionais atomicamente finos, conhecidos por suas propriedades eletrônicas versáteis e personalizáveis, são particularmente interessantes para a nanoeletrônica do futuro. As vagas em um cristal são candidatas promissoras para qubits, os portadores de informação elementar dos computadores quânticos, pois possuem níveis de energia eletrônica discretos, assim como os átomos.

Os pesquisadores descobriram que podem alterar um nível discreto de energia do defeito, desencadeando uma vibração semelhante a um tambor da membrana atomicamente fina:o movimento atômico dos átomos circundantes muda e, portanto, controla o nível de energia da vacância. Esses resultados foram publicados na Nature Photonics .

Para fazer esta descoberta revolucionária, os pesquisadores tiveram que superar vários obstáculos. A resolução atômica de 1 Ångström é necessária para observar níveis de energia localizados atomicamente e sua dinâmica. Além disso, o movimento no nanomundo é extremamente rápido.

“Para acompanhar como um nível de energia muda, é necessário tirar instantâneos estroboscópicos do nível de energia, com cada instantâneo sendo registrado em menos de um trilionésimo de segundo, mais rápido que os picossegundos”, explica a primeira autora Carmen Roelcke.

Todos esses desafios foram enfrentados pela equipe de Carmen Roelcke, Lukas Kastner e Yaroslav Gerasimenko em um método elaborado que explora a energia e a resolução espacial de um microscópio de tunelamento de varredura. Ao mesmo tempo, o uso de pulsos de laser ultracurtos personalizados torna possível registrar dinâmicas extremamente rápidas em câmera lenta. A experiência combinada dos grupos de Jascha Repp e Rupert Huber criou a sinergia decisiva para a espectroscopia ultrarrápida em escala atômica necessária.

“Com a nossa nova abordagem, somos capazes de decifrar o movimento estrutural da membrana do tambor atômico e a mudança do nível de energia localizado em câmera lenta”, diz Yaroslav Gerasimenko. Os cálculos dos primeiros princípios de Maximilian Graml e Jan Wilhelm explicam conclusivamente como os átomos na camada atomicamente fina se movem durante a oscilação e como isso pode influenciar os níveis de energia discretos.

O trabalho da equipe de Regensburg estabelece uma nova era no estudo da dinâmica dos níveis de energia localizados atomicamente e sua interação com o meio ambiente. Esta descoberta permite o controle local de níveis discretos de energia da maneira mais direta. Por exemplo, o movimento de átomos individuais poderia alterar a estrutura energética de um material e, assim, criar novas funcionalidades ou alterar especificamente as propriedades de semicondutores e moléculas emissoras de luz.

Com base na combinação sem precedentes de resolução extrema de espaço, tempo e energia, a compreensão mais profunda de processos fundamentais, como a interação local de elétrons com vibrações de rede, está ao nosso alcance. Além disso, esta abordagem poderia ajudar a desvendar os segredos dos principais processos por trás das transições de fase, como a supercondutividade de alta temperatura, ainda não compreendidos.

Mais informações: Carmen Roelcke et al, Espectroscopia de tunelamento de varredura em escala atômica ultrarrápida de uma única vaga em um cristal de monocamada. Fotônica da Natureza . DOI:10.1038/s41566-024-01390-6, www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6
Informações do diário: Fotônica da Natureza

Fornecido pela Universidade de Regensburg