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Os microscópios eletrônicos nos dão uma visão dos mínimos detalhes dos materiais e podem visualizar, por exemplo, a estrutura de sólidos, moléculas ou nanopartículas com resolução atômica. No entanto, a maioria dos materiais na natureza não é estática. Eles interagem constantemente, movem-se e remodelam-se entre configurações iniciais e finais. Um dos fenômenos mais gerais é a interação entre a luz e a matéria, onipresente em materiais como células solares, telas ou lasers. Essas interações são definidas por elétrons empurrados e puxados pelas oscilações da luz, e a dinâmica é extremamente rápida: as ondas de luz oscilam em attossegundos, o bilionésimo de bilionésimo de segundo.
Até agora, tem sido muito difícil visualizar diretamente esses processos extremamente rápidos no espaço e no tempo, mas é exatamente isso que uma equipe de físicos da Universidade de Konstanz conseguiu. Eles gravaram filmes com resolução de attossegundos em um elétron de transmissão microscópio, fornecendo novos insights sobre a funcionalidade de nanomateriais e meta-átomos dielétricos. Eles publicaram recentemente seus resultados na revista científica Natureza.
Geração de pulsos de elétrons ultracurtos
“Se você olhar de perto, quase todos os fenômenos em óptica, nanofotônica ou metamateriais ocorrem em escalas de tempo abaixo de um período de oscilação de uma onda de luz”, explica Peter Baum, professor de física e chefe do Grupo de Luz e Matéria da Universidade de Konstanz. “Para filmar as interações ultrarrápidas entre a luz e a matéria, precisamos de uma resolução de tempo de attossegundos.” Para alcançar uma velocidade de gravação tão extrema, o grupo de pesquisa de Baum usa as oscilações rápidas de um laser de onda contínua para converter o feixe de elétrons de um microscópio eletrônico em uma sequência de pulsos de elétrons ultracurtos.
Neste processo, uma fina membrana de silício cria uma aceleração e desaceleração periódica dos elétrons. “Essa modulação faz com que os elétrons se aproximem. Depois de algum tempo, eles se convertem em um trem de pulsos ultracurtos”, explica David Nabben, aluno de doutorado e primeiro autor do estudo. Outra onda de laser cria a interação com o objeto de amostra. Os pulsos ultracurtos de elétrons são então usados para medir a resposta do objeto à luz do laser, congelada no tempo como em um estroboscópio. Ao final, os pesquisadores obtêm um filme dos processos com resolução de attossegundos.
Investigação de Fenômenos Nanofotônicos
Em seu estudo, os cientistas apresentam vários exemplos de medições resolvidas no tempo em nanomateriais. Os experimentos mostram, por exemplo, o surgimento de ondas de superfície quirais que podem ser controladas pelos pesquisadores para viajar em uma direção espacial específica, ou atrasos de tempo característicos entre diferentes modos de radiação de nanoantenas. Além disso, os cientistas não apenas investigam esses fenômenos de superfície, mas também filmam os processos eletromagnéticos dentro de um material de guia de onda.
Os resultados são altamente interessantes para futuros desenvolvimentos em nanofotônica, mas também demonstram a ampla gama de aplicações da nova microscopia eletrônica de attossegundos. “A medição direta da funcionalidade eletromagnética dos materiais em função do espaço e do tempo não é apenas de grande valor para a ciência fundamental, mas também abre caminho para novos desenvolvimentos em circuitos integrados fotônicos ou metamateriais”, resume Nabben o impacto do resultados.
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