A luz Terahertz controla e caracteriza os elétrons no espaço e no tempo

Cientistas da Universidade de Konstanz, na Alemanha, avançaram a microscopia eletrônica ultrarrápida com uma resolução de tempo sem precedentes. Reportando Avanços da Ciência, a equipe de pesquisa apresenta um método para controle totalmente óptico, compressão e caracterização de pulsos de elétrons dentro de um microscópio eletrônico de transmissão usando luz terahertz. Além disso, os pesquisadores descobriram anticorrelações substanciais no domínio do tempo para estados de dois e três elétrons, fornecendo uma visão mais profunda da física quântica dos elétrons livres.

Antecedentes e desafios

A microscopia eletrônica ultrarrápida é uma técnica de ponta que combina a resolução espacial da microscopia eletrônica tradicional com a resolução temporal de pulsos de laser ultrarrápidos de femtossegundos. Esta combinação poderosa permite aos pesquisadores observar átomos e elétrons em movimento, capturando processos dinâmicos em materiais com clareza incomparável. Ao visualizar estes eventos rápidos no espaço e no tempo, os cientistas podem obter conhecimentos mais profundos sobre os mecanismos fundamentais que governam as propriedades e transições dos materiais, ajudando a criar avanços em campos de investigação como a nanotecnologia, a óptica, a ciência dos materiais e a física quântica.

Embora a microscopia eletrônica ultrarrápida permita, em princípio, a observação de movimentos atômicos e eletrônicos em escalas espaciais e temporais fundamentais, a captura dessas dinâmicas rápidas permaneceu um desafio devido às limitações na duração do pulso eletrônico. Os atuais pulsos de elétrons padrão, com duração de cerca de 200 femtossegundos, são longos demais para resolver muitos processos de reação fundamentais em materiais e moléculas. Seriam necessários pulsos dez vezes mais curtos para observar trajetórias básicas de reação e movimentos atômicos coletivos, os chamados modos de fônons, em tempo real.

Geração de pulsos de elétrons ultracurtos

Agora, a equipe de Konstanz introduziu uma abordagem inovadora para avançar a resolução temporal da microscopia eletrônica de transmissão de centenas para dezenas de femtossegundos. Os pesquisadores utilizam um único ciclo óptico de luz terahertz para manipular os pulsos de elétrons no espaço e no tempo nas dimensões da luz laser de ciclo único. Este método não apenas preserva a resolução espacial do microscópio eletrônico, mas também aumenta sua resolução temporal para o regime de visualização de movimentos atômicos e potencialmente até eletrônicos em escalas fundamentais.

“Um dos principais desafios na microscopia eletrônica ultrarrápida é a largura de banda de energia inevitável da fotoemissão ultrarrápida da ponta de uma agulha acionada por laser. Devido à dispersão do vácuo para elétrons não relativísticos com massa de repouso, essa largura de banda de energia inevitavelmente leva à mecânica quântica dispersão de pacotes de ondas e alongamento de pulso no tempo”, explica Peter Baum, chefe do Grupo Luz e Matéria da Universidade de Konstanz.

A equipe superou esse problema utilizando o gradiente do campo elétrico dos pulsos de terahertz para acelerar a parte posterior e desacelerar a parte principal da função de onda do elétron, resultando em pulsos significativamente comprimidos na amostra. Devido ao espaço disponível limitado dentro do microscópio, a equipe alcançou esse controle empregando um guia de ondas metálico de placa paralela para gerar as interações campo-elétron de subciclo necessárias com homogeneidade espacial suficiente e aberrações minimizadas.

“Um aspecto fundamental de nossa abordagem reside nos campos elétricos e magnéticos especiais gerados dentro do guia de ondas. Ao projetar um guia de ondas que cria uma onda estacionária de terahertz com controle de fase preciso, podemos amplificar os campos elétricos enquanto cancelamos os campos magnéticos indesejados. Esta configuração permite para a aceleração e desaceleração de pulsos de elétrons sem introduzir aberrações espaciais”, resume Joel Kuttruff, Ph.D. aluno que projetou o experimento.

Usando essa ideia, a equipe comprimiu com sucesso seus pulsos de elétrons de mais de 200 femtossegundos para apenas 19 femtossegundos. Esse avanço promove a resolução temporal da microscopia eletrônica no domínio da dinâmica atômica fundamental e dos caminhos de reação.

“Mesmo com a resolução temporal melhorada, a resolução espacial do microscópio permanece quase inalterada”, diz Baum. Nos experimentos, imagens microscópicas e padrões de difração de nanopartículas de ouro e cristais de silício demonstram essas capacidades de imagem claras e precisas, agora com uma resolução sem precedentes no domínio do tempo.

Correlações em estados multieletrônicos

Numa primeira aplicação de suas novas capacidades, os pesquisadores mediram estados de dois e três elétrons e descobriram anticorrelações substanciais no domínio do tempo, fornecendo uma visão mais profunda das interações e dinâmicas de sistemas multieletrônicos.

“Quando um elétron chega mais cedo, o outro chega atrasado e vice-versa, criando uma clara separação temporal entre os dois”, explica David Nabben, pesquisador de pós-doutorado da equipe. “Essa anticorrelação é resultado de forças mútuas de Coulomb e dispersão de pacotes de ondas durante a propagação no espaço livre.”

A capacidade de medir elétrons duplos ou elétrons triplos e suas correlações no domínio do tempo é crítica para avançar nossa compreensão da mecânica quântica no domínio das flutuações e do ruído.

“Ao controlar e observar com precisão os elétrons livres e suas interações mútuas, estabelecemos bases para pesquisas futuras que visam investigar fenômenos quânticos fundamentais, como emparelhamento e emaranhamento de elétrons, com detalhes sem precedentes”, diz Baum, descrevendo o impacto deste trabalho. “Essa capacidade, juntamente com nosso novo regime de resolução de tempo, levará potencialmente a novas tecnologias quânticas e aprimorará nosso conhecimento sobre o comportamento dos materiais em escala atômica.”