Supermicroscópio filma mundo quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/03/2020

Os pulsos ultracurtos da câmera de attossegundos revelam o tunelamento no qual os elétrons (azul) superam a lacuna entre a ponta e a amostra, mostrando um pacote de ondas eletrônicas (onda colorida) com resolução espacial atômica.
[Imagem: Christian Hackenberger]

Microscópio ultra-rápido para o mundo quântico

A operação de componentes para os computadores do futuro agora pode ser filmada em qualidade HD, por assim dizer.

Manish Garg e Klaus Kern, do Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido, na Alemanha, desenvolveram um microscópio capaz de filmar os processos extremamente rápidos que ocorrem na escala das moléculas, átomos e partículas subatômicas.

Esse microscópio - uma espécie de câmera HD para o mundo quântico - permite o rastreamento preciso dos movimentos dos elétrons até o átomo individual.

Com isto, ele deverá fornecer informações essenciais para o desenvolvimento de componentes eletrônicos extremamente rápidos e extremamente pequenos.

Quando se trata de analisar esses processos para otimizar os transistores ou os qubits, por exemplo, vídeos dos elétrons são de grande benefício.

Câmera de attossegundos

Para alcançar a capacidade de filmar elétrons, os pesquisadores aprimoraram sua "câmera de attossegundos", desenvolvida nos últimos dois anos, e a integraram a um microscópio eletrônico - um attossegundo é um bilionésimo de bilionésimo de segundo; nesse tempo, a luz percorre o comprimento de uma molécula de água.

Os pulsos de laser ultracurtos da câmera são usados em conjunto com um microscópio de varredura por tunelamento, que alcança resolução em escala atômica varrendo uma superfície com a ponta mais fina possível, idealmente composta de apenas um átomo.

Recebendo energia pela ponta, os elétrons tunelam entre a ponta e a superfície, isto é, eles atravessam o espaço intermediário, embora originalmente não tenham energia suficiente para isso. Como a eficácia desse processo de tunelamento depende fortemente da distância que os elétrons precisam percorrer, ele pode ser usado para medir o espaço entre a ponta e uma amostra e, portanto, para representar até átomos e moléculas individuais na superfície da amostra.

Os pesquisadores dispararam os pulsos extremamente curtos de luz na ponta do microscópio para acionar o processo de tunelamento. O resultado é uma câmera de alta velocidade para o mundo quântico, capaz de alcançar uma alta resolução, mostrando precisamente onde o elétron filmado está localizado no átomo individual.

"Ao combinar um microscópio de varredura de tunelamento com pulsos ultrarrápidos, foi fácil usar as vantagens dos dois métodos para compensar suas respectivas desvantagens," disse Manish Garg.

Esquema de funcionamento do microscópio para o mundo quântico.
[Imagem: Garg/Kern - 10.1126/science.aaz1098]

Eletrônica baseada na luz

A técnica promete bem mais do que permitir rastrear o caminho dos elétrons através dos processadores e chips do futuro: ela pode levar a uma aceleração dramática dos próprios portadores de carga, os elétrons.

"Nos computadores de hoje, os elétrons oscilam a uma frequência de um bilhão de hertz," descreveu Kern. "Usando pulsos de luz ultracurtos, pode ser possível aumentar sua frequência para um trilhão de hertz."

Com este turbocompressor, os pesquisadores podem abrir caminho para a eletrônica baseada em ondas de luz, e não mais em elétrons, alcançando milhões de vezes mais velocidade do que os computadores atuais por meio dos processadores fotônicos.

Portanto, o microscópio ultrarrápido não só filma os processos no mundo quântico, ele também pode atuar como diretor, interferindo nesses processos.

Bibliografia:

Artigo: Attosecond coherent manipulation of electrons in tunneling microscopy
Autores: Manish Garg, Klaus Kern
Revista: Science
Vol.: 367, Issue 6476, pp. 411-415
DOI: 10.1126/science.aaz1098