Microscópio do tempo promete revelar segredos dos elétrons

É como um microscópio para o tempo: técnicas baseadas em raios laser pulsados estão permitindo observar intervalos de tempo extremamente curtos.
Com a ajuda desses pulsos de laser ultracurtos, os processos físicos podem ser investigados em uma escala de tempo de attossegundos - ou seja, bilionésimos de bilionésimo de segundo.
Um dos fenômenos mais intrigantes visados por esses microscópios do tempo é como um único átomo é ionizado e como um elétron sai do átomo. O elétron não se comporta simplesmente como uma partícula pontual, com suas propriedades de onda desempenhando um papel importante: o elétron é na verdade uma onda-elétron que oscila em uma escala de tempo extremamente curta - e em uma escala de comprimento igualmente pequena.
É um desafio enorme medir a duração do ciclo dessa oscilação, mas é ainda mais difícil determinar sua fase: qual é exatamente o ritmo que a oscilação eletrônica segue? Se um elétron puder ser ionizado de duas maneiras diferentes, as duas ondas de elétrons oscilarão em perfeita harmonia ou haverá um pequeno atraso de tempo, isto é, uma mudança de fase?
Os primeiros "microscópios temporais" já estão sendo usados em inúmeros experimentos, como na recente descrição do efeito fotoelétrico e no desenvolvimento de relógios quânticos que batem recordes de precisão.
O passo adiante para se "enxergar" o que ocorre em tempos ainda menores foi dado por uma equipe da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, e da Universidade da Flórida Central, nos EUA.
Stefan Donsa e seus colegas idealizaram um protocolo que permite medir a fase dos elétrons-onda - ou ondas-elétrons, como queira. Incorporar esse protocolo em experimentos práticos promete trazer uma visão nova e aprimorada de fenômenos importantes tanto para a compreensão básica do funcionamento da matéria, como para a exploração tecnológica, como em fotossensores e células fotovoltaicas.
"Qualquer onda consiste em cristas e vales - e a fase da onda nos diz em que pontos do espaço e do tempo eles estão localizados," explicou Donsa. "Se duas ondas quânticas se sobrepuserem de tal maneira que cada pico de uma onda encontre o pico da outra onda, elas se somam. Mas se você mudar uma das ondas um pouco para que a crista de uma onda seja sobreposta ao vale da outra onda, elas também podem se cancelar mutuamente."
É semelhante a encontrar o ritmo certo na música: não é suficiente que dois músicos toquem no mesmo ritmo. Suas batidas também devem coincidir exatamente no tempo, sem qualquer mudança de fase entre as batidas. Para isso, você precisa de um relógio de referência - um maestro ou um metrônomo, por exemplo. O recém-desenvolvido protocolo de medição quântica usa algo semelhante: um processo atômico serve como referência para outro.
O truque do método consiste em adicionar um segundo efeito quântico como relógio - servindo como um metrônomo quântico, por assim dizer. Em vez de absorver apenas um fóton, o átomo também pode absorver dois fótons ao mesmo tempo, sob certas condições. Essa dupla absorção leva ao mesmo resultado final - um elétron sendo expulso com energia muito específica. Mas, desta vez, esse elétron tem uma fase diferente, e essa diferença pode ser medida.
Na física dos attossegundos, não é possível simplesmente criar um filme de um sistema físico quântico com uma câmera. Em vez disso, protocolos experimentais complicados precisam ser usados. Atualmente, vários protocolos estão em uso, mas nenhum deles até o momento permitiu a medição direta da fase do elétron.
"Nosso novo protocolo de medição nos permite traduzir as informações sobre a fase eletrônica em sua distribuição espacial, combinando pulsos de laser muito especiais," explicou Donsa. "Usando o tipo correto de pulsos de laser, as informações de fase podem ser obtidas diretamente da distribuição angular dos elétrons".
Agora será necessário testar os limites desse método, a fim de ver quais informações da mecânica quântica podem ser obtidas na prática usando o novo protocolo.

Créditos: Inovação Tecnológica

Descobrimos como é a geometria de um elétron

Físicos da Universidade de Basileia, na Suíça, mostraram como a geometria de um único elétron se parece pela primeira vez.
A descoberta foi feita através de um método recém-desenvolvido que permite aos cientistas calcular a probabilidade de um elétron estar presente em um espaço.
Isso, por sua vez, leva a um melhor controle dos spins dos elétrons, que poderiam servir como a menor unidade de informação em um futuro computador quântico.
O spin (ou “giro”) de um elétron representa as possíveis orientações que a partícula subatômica carregada pode exibir quando imersa em um campo magnético.
O spin é um candidato promissor para ser usado como a menor unidade de informação (ou qubit) de um computador quântico.
Controlar e alternar este giro ou acoplá-lo a outros spins são alguns dos desafios nos quais inúmeros grupos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando.
A estabilidade de um único spin e o emaranhamento de vários spins dependem, entre outras coisas, da geometria dos elétrons – que antes era impossível de determinar experimentalmente.
O que os cientistas do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociência da Universidade de Basileia fizeram foi desenvolver um método pelo qual eles podiam determinar a geometria de elétrons espacialmente em pontos quânticos.
Um ponto quântico é uma “armadilha” que confina elétrons livres em uma área cerca de mil vezes maior que um átomo natural. Como os elétrons aprisionados se comportam de maneira semelhante aos elétrons ligados a um átomo, o ponto quântico também é chamado de “átomo artificial”.
O elétron pode se mover dentro desse espaço, mas, com diferentes probabilidades correspondentes a uma função de onda, permanece em locais específicos dentro de seu confinamento.
Os cientistas usaram medições espectroscópicas para determinar os níveis de energia no ponto quântico e estudar o comportamento desses níveis em campos magnéticos de força e orientação variadas. Com base em um modelo teórico, foi possível determinar a provável densidade do elétron e, assim, sua função de onda com precisão na escala subnanométrica.
“Para simplificar, podemos usar esse método para mostrar como um elétron se parece pela primeira vez”, explica um dos principais autores do estudo, Daniel Loss.
Os pesquisadores, que trabalham em estreita colaboração com colegas no Japão, na Eslováquia e nos Estados Unidos, agora têm a chance de entender melhor a correlação entre a geometria e o spin do elétron, que deve ser estável pelo maior tempo possível e rapidamente comutável para ser usado como qubit.
“Nós podemos não apenas mapear a forma e a orientação do elétron, mas também controlar a função de onda de acordo com a configuração dos campos elétricos aplicados. Isso nos dá a oportunidade de potencializar o controle dos spins de maneira bem direcionada”, afirma outro pesquisador principal do estudo, Dominik Zumbühl.

Com o auxílio do método desenvolvido, vários estudos podem ser melhor compreendidos, e o desempenho de spin em qubits pode ser otimizado no futuro.
O resultado dos experimentos foi publicado em um artigo na revista científica Physical Review Letters, e a teoria relacionada foi publicada em um artigo na revista científica Physical Review B.

Créditos: Hypescience