p Os elétrons nos átomos são muito talentosos. Eles podem formar ligações químicas, ser expulso do átomo e até mesmo "pular" para locais diferentes com base em seus estados energéticos. p Em 1961, O físico atômico Ugo Fano teorizou que os elétrons abrigam outro e inesperado talento:eles podem interferir em si mesmos enquanto seguem simultaneamente dois caminhos diferentes da mecânica quântica. Em um caminho, eles saltam dentro do átomo entre estados de energia discretos. No outro caminho, eles saltam do átomo para o continuum do espaço livre. Fano desenvolveu sua teoria após estudar o espectro eletrônico do gás hélio excitado por um feixe de elétrons. De acordo com a teoria de Fano, os elétrons nos átomos de hélio estavam se movendo através de dois tipos de transições de energia, um discreto e outro contínuo, o que resultou em interferência destrutiva por meio de sua mistura sincronizada.

p Embora já tenham se passado quase 60 anos desde que Fano publicou sua explicação teórica - agora conhecida como interferência de Fano - os cientistas têm lutado para observar esse efeito em nanoescala usando um microscópio eletrônico. Uma equipe liderada por cientistas da Universidade de Washington e da Universidade de Notre Dame usou avanços recentes na microscopia eletrônica para observar as interferências de Fano diretamente em um par de nanopartículas metálicas, de acordo com um artigo publicado em 21 de outubro em Cartas de revisão física e destacado pelos editores da revista.

p "Fano descreveu um tipo complicado - e até contra-intuitivo - de transferência de energia que pode ocorrer nesses sistemas, "disse o co-autor David Masiello, um professor de química da UW. "É como ter duas crianças em balanços vizinhos que são fracamente acoplados entre si:você empurra uma criança, mas esse balanço não é o que se move. Em vez de, o balanço da outra criança se move devido a essa interferência. É uma transferência de energia unilateral. "

p Masiello, um teórico, juntou-se ao co-autor e experimentalista Jon Camden, professor de química e bioquímica da Universidade de Notre Dame, para trabalhar nas interferências de Fano em microscopia eletrônica. Em uma publicação de 2013 em ACS Nano , dois deles, junto com membros do grupo de Masiello na UW, teorizaram que eles poderiam desencadear interferências de Fano em certos tipos de nanoestruturas plasmônicas. Esses são sistemas testáveis ​​experimentalmente - geralmente consistindo em prata ou ouro ou metais de cunhagem semelhantes - nos quais os elétrons podem ser facilmente mobilizados e "excitados" em resposta à luz ou a um feixe de elétrons.

p Masiello e Camden acreditavam que seria possível projetar e construir um sistema que exibisse interferências de Fano usando componentes plasmônicos em nanoescala. Mas, criar este efeito exigiria um feixe de elétrons extremamente preciso, em que todos os elétrons têm aproximadamente a mesma energia cinética. Os pesquisadores se uniram a Juan Carlos Idrobo, um cientista do Laboratório Nacional de Oak Ridge. Oak Ridge hospeda uma instalação avançada de microscopia eletrônica, incluindo o microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração monocromada de que a equipe precisaria.

p "Este é o Lamborghini dos microscópios eletrônicos, e representa um avanço muito recente e sofisticado em microscopia eletrônica, "disse Masiello." Esta experiência não teria sido possível até mesmo há vários anos. "

p Mas projetar e fabricar o sistema plasmônico certo também foi um desafio para a equipe.

p "A questão de, 'Podemos ver essa interferência de Fano na microscopia eletrônica?' foi muito mais complicado do que esperávamos, "disse Camden." No início, percebemos que as ideias que nossa equipe apresentou não estavam funcionando. Mas eventualmente, por tentativa e erro, nós acertamos. "

p A equipe de Masiello trabalha tanto com a teoria dos plasmons quanto com a teoria da microscopia eletrônica. Eles usaram modelos analíticos do comportamento dos sistemas plasmônicos para projetar o layout físico, bem como interpretar o espectro, de um sistema totalmente plasmônico. Este sistema codificaria o efeito de interferência que a equipe buscou nos elétrons espalhados do microscópio. O primeiro autor e estudante de doutorado em física da UW Kevin Smith determinou que um "pirulito de ouro" era o ideal. O sistema que ele projetou consiste em um fino disco de ouro - apenas 650 nanômetros de diâmetro - sentado ao lado, mas sem tocar, um nanorod de ouro de apenas 5, 000 nanômetros de comprimento. Para referência, cerca de 20 desses nanobastões - alinhados ponta a ponta - teriam a espessura de um pedaço de papel.

p De acordo com o projeto teórico e a análise matemática de Smith, um feixe de elétrons direcionado para fora do disco de ouro do pirulito acionaria os sinais reveladores de uma interferência de Fano:os elétrons dentro da haste distante começariam a oscilar, conduzido apenas através do disco.

p "Isso é precisamente o que observamos quando nossos colaboradores em Oak Ridge testaram o sistema, "disse Smith.

p O sucesso da equipe não apenas demonstra que é possível excitar interferências de Fano diretamente em um sistema plasmônico usando um feixe de elétrons. Ele também fornece novas estruturas teóricas e modelos para trabalhar com microscópios eletrônicos sofisticados, como as instalações presentes no Laboratório Nacional Oak Ridge.

p "Existe um nível excitante de precisão que é possível com esses tipos de microscópios eletrônicos, "disse Masiello." Isso abre a porta para mais experimentos como este - combinando resolução espacial em escala atômica com alta resolução espectral do espectro visível até o infravermelho distante. "