Os pesquisadores desenvolveram um método para medir com precisão a posição tridimensional de um átomo com uma única imagem, revolucionando os experimentos de mecânica quântica e o desenvolvimento de materiais, facilitando a manipulação e rastreamento precisos dos átomos.
O método desenvolvido nas Universidades de Bonn e Bristol utiliza um princípio físico engenhoso.
Por mais de dez anos, os físicos conseguiram identificar as posições exatas de átomos individuais com uma precisão superior a um milésimo de milímetro usando um microscópio especializado. No entanto, este método até agora forneceu apenas as coordenadas xey. Informações sobre a posição vertical do átomo – isto é, a distância entre o átomo e a objetiva do microscópio – está faltando.
Foi desenvolvido um novo método que pode determinar todas as três coordenadas espaciais de um átomo com uma única imagem. Este método – desenvolvido pela Universidade de Bonn e pela Universidade de Bristol – baseia-se num princípio físico engenhoso. O estudo foi publicado recentemente na revista especializada Revisão Física A.
O desafio de medir a terceira dimensão
Qualquer pessoa que tenha usado um microscópio em uma aula de biologia para estudar uma célula vegetal provavelmente será capaz de se lembrar de uma situação semelhante. É fácil dizer que um determinado cloroplasto está localizado acima e à direita do núcleo. Mas ambos estão localizados no mesmo plano? Depois de ajustar o foco no microscópio, entretanto, você verá que a imagem do núcleo se torna mais nítida enquanto a imagem do cloroplasto fica borrada. Um deles deve ser um pouco mais alto e um um pouco mais baixo que o outro. No entanto, este método não pode nos fornecer detalhes precisos sobre suas posições verticais.
É assim que parece na prática: as diferentes direções de rotação dos vários “halteres” indicam que os átomos estão em planos diferentes. Crédito: IAP/Universidade de Bonn
O princípio é muito semelhante se você quiser observar átomos individuais em vez de células. A chamada microscopia quântica de gases pode ser usada para esse fim. Ele permite determinar diretamente as coordenadas xey de um átomo. No entanto, é muito mais difícil medir a sua coordenada z, ou seja, a distância até à lente objectiva: para descobrir em que plano o átomo está localizado, devem ser obtidas múltiplas imagens nas quais o foco é deslocado através de vários planos diferentes. . Este é um processo complexo e demorado.
Transformando manchas redondas em halteres
“Desenvolvemos agora um método no qual este processo pode ser concluído em uma única etapa”, explica Tangi Legrand, do Instituto de Física Aplicada (IAP) da Universidade de Bonn. “Para conseguir isso, usamos um efeito que já era conhecido na teoria desde a década de 1990, mas que ainda não havia sido usado em um microscópio quântico de gás.”
Para fazer experiências com os átomos, primeiro é necessário resfriá-los significativamente para que quase não se movam. Depois disso, é possível, por exemplo, prendê-los em uma onda estacionária de luz laser. Eles então deslizam para as depressões da onda, da mesma forma que os ovos ficam em uma caixa de ovos. Uma vez presos, para revelar sua posição, eles são expostos a um feixe de laser adicional, que os estimula a emitir luz. A fluorescência resultante aparece no microscópio quântico de gás como uma mancha redonda ligeiramente borrada.
A imagem de um átomo produzida por um microscópio quântico de gás é normalmente uma mancha redonda e ligeiramente borrada. Os pesquisadores distorceram-no em formato de haltere (a imagem mostra a previsão teórica). A direção para a qual o haltere está apontando mostra a coordenada z. Crédito: IAP/Universidade de Bonn
“Desenvolvemos agora um método especial para deformar a frente de onda da luz emitida pelo átomo”, explica o Dr. Andrea Alberti. O pesquisador, que já passou do IAP para o Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, também participou do estudo. “Em vez das típicas manchas redondas, a frente de onda deformada produz um formato de haltere na câmera que gira em torno de si mesma. A direção para a qual esse haltere aponta depende da distância que a luz teve que percorrer do átomo até a câmera.”
“O haltere age assim um pouco como a agulha de uma bússola, permitindo-nos ler a coordenada z de acordo com a sua orientação”, diz o Prof. A investigadora do IAP, cujo grupo de investigação realizou o estudo, é também membro da área de investigação transdisciplinar “Matéria” da Universidade de Bona.
Importante para experimentos de mecânica quântica
O novo método permite determinar com precisão a posição de um átomo em três dimensões com uma única imagem. Isto é importante, por exemplo, se você quiser realizar experimentos de mecânica quântica com átomos, porque muitas vezes é essencial ser capaz de controlar ou rastrear com precisão sua posição. Isso permite que os pesquisadores façam com que os átomos interajam entre si da maneira desejada.
Além disso, o método também poderia ser usado para ajudar a desenvolver novos materiais quânticos com características especiais. “Por exemplo, poderíamos investigar quais efeitos da mecânica quântica ocorrem quando os átomos são organizados em uma determinada ordem”, explica a Dra. Carrie Weidner do Universidade de Bristol. “Isso nos permitiria simular até certo ponto as propriedades dos materiais tridimensionais sem ter que sintetizá-los.”
Referência: “Imagem tridimensional de átomos únicos em uma rede óptica via engenharia de função de propagação de ponto helicoidal” por Tangi Legrand, Falk-Richard Winkelmann, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Andrea Alberti e Carrie A. Weidner, 5 de março de 2024, Revisão Física A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.109.033304
A Universidade de Bonn e a Universidade de Bristol participaram do estudo. A pesquisa foi financiada pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG).
