Quando o físico Tyler Cocker ingressou na Michigan State University em 2018, ele tinha um objetivo claro:construir um microscópio poderoso que seria o primeiro desse tipo nos Estados Unidos.
Feito isso, era hora de colocar o microscópio para funcionar.

"Sabíamos que tínhamos que fazer algo útil", disse Cocker, Jerry Cowen Endowed Chair em Física Experimental do Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências Naturais. "Temos o melhor microscópio do país. Devemos usar isso a nosso favor."

Com seu microscópio, a equipe de Cocker está usando luz e elétrons para estudar materiais com uma intimidade e resolução incomparáveis. Os pesquisadores podem ver átomos e medir características quânticas dentro de amostras que podem se tornar os blocos de construção de computadores quânticos e células solares de próxima geração.

A equipe deu ao mundo o primeiro vislumbre desses recursos em 23 de novembro na revista Nature Communications , tirando fotos de como os elétrons são distribuídos no que é conhecido como nanofitas de grafeno.

"Esta é uma das primeiras demonstrações de que este tipo de microscópio pode dizer algo novo", disse Cocker. "Estamos muito animados e orgulhosos do trabalho. Também temos todas essas idéias em nossas cabeças sobre onde queremos ir com ele."

A equipe de Cocker faz parte de uma colaboração que está trabalhando para desenvolver essas nanofitas em qubits, pronunciados "q-bits", para computadores quânticos. A colaboração abrange cinco instituições e o trabalho é apoiado por uma doação do Escritório de Pesquisa Naval que fornecerá mais de US$ 1 milhão à contribuição da MSU.

Para as Comunicação da Natureza estudo, Cocker juntou-se ao grupo de pesquisa de Roman Fasel, professor dos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais. Fasel inventou o que é conhecido como o método de crescimento de baixo para cima para nanofitas de grafeno. O laboratório de Fasel sintetizou moléculas que, com a adição de calor, podem se construir em fitas com formato e tamanho predeterminados.

"Você essencialmente assa as moléculas como um bolo", disse Cocker. "Então as propriedades da faixa de opções com a qual você termina são predefinidas. Você sabe o que está obtendo antes de começar."

O laboratório suíço enviou as moléculas para a MSU, onde o laboratório de Cocker cultivou as fitas de precisão e as examinou com seu microscópio. A base do instrumento é o que é conhecido como microscópio de tunelamento de varredura, ou STM, que traz uma ponta ou sonda muito afiada extremamente perto da amostra que está sendo estudada sem tocá-la.

Mesmo que a ponta e a amostra não estejam em contato, os elétrons ainda podem saltar ou túneis da ponta para a amostra. Ao registrar como os elétrons túneis – por exemplo, quantos elétrons túneis e com que rapidez – o microscópio constrói imagens de alta resolução da amostra e de suas propriedades.

O que Cocker e sua equipe fizeram foi acoplar este STM convencional com pulsos extremamente curtos de luz laser, o que lhes permite aproximar ainda mais a ponta do STM da amostra. Como resultado, eles podem extrair informações mais detalhadas de uma amostra do que nunca.

"É quase como se estivéssemos aproximando fisicamente a ponta", disse ele.

A equipe poderia então caracterizar diferentes nanofitas com resolução atômica, revelando informações claras sem precedentes sobre como os elétrons são distribuídos dentro da estrutura.

Além de uma publicação, este trabalho também ganhou prêmios para seus autores espartanos. O bolsista de pós-doutorado Vedran Jelic ganhou um prêmio por seu pôster sobre a pesquisa em um workshop recente na Alemanha. O pesquisador de pós-graduação Spencer Ammerman ganhou um prêmio por apresentar o trabalho em novembro passado em uma conferência organizada pela Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society, que também concedeu a Cocker seu prêmio Young Scientist 2021.

Por mais empolgados que Cocker e sua equipe estejam com o novo artigo e esses elogios, eles estão ansiosos pelo que vem a seguir. Por exemplo, a equipe está trabalhando em passar de imagens estáticas para filmes de amostras, mostrando como os elétrons se movem dentro das fitas à medida que o nanomaterial absorve a luz.

Os pesquisadores também estão construindo um segundo microscópio com o apoio de uma doação do Departamento de Defesa concedida em junho, o que significa que os únicos dois microscópios como este nos EUA estarão ambos na MSU.

"Este artigo é muito empolgante, mas também é apenas o primeiro passo", disse Cocker. "Achamos que vai abrir muitas possibilidades." + Explorar mais

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