Cientistas filmam fótons usando elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica

Os fótons são as partículas elementares da luz. Estudá-las isoladamente está se tornando cada vez mais importantes não apenas para a ciência básica, mas também para a tecnologia, sobretudo com os crescentes avanços da fotônica e da óptica em geral, e da computação quântica. Mas como acompanhá-los para conhecer seu comportamento e como eles interagem com a matéria e com os campos eletromagnéticos? Afinal, observar a matéria é fácil: nossos olhos captam os fótons que se refletem sobre a matéria e criam uma imagem.
Mas como fazer uma imagem de um fóton? Foi justamente isto o que os cientistas conseguiram agora: eles literalmente filmaram fótons, utilizando elétrons para visualizá-los.

Estes são fótons fotografados em nanotubos de carbono, usando pulsos de 

elétrons de altíssima velocidade. As imagens mostram os campos evanescentes 

em dois momentos e em duas polarizações diferentes.[Imagem: Zewail/Caltech]

Microscópio 4D

Em 2008, cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, apresentaram sua revolucionária tecnologia de microscopia quadrimensional.

O microscópio eletrônico 4D tornou possível, pela primeira, a visualização em tempo real, no espaço real, de mudanças extremamente sutis na estrutura da matéria em nanoescala.

Agora, os mesmos inventores do microscópio 4D descobriram que ele pode ser usado para gerar imagens dos campos elétricos evanescentes produzidos pela interação de elétrons e fótons, e para acompanhar as mudanças nessas estruturas em escala atômica.

Campos evanescentes são ondas superficiais que decaem muito rapidamente - veja Superlente de prata irá revolucionar os microscópios ópticos.

Femtoquímica

A pesquisa foi dirigida por ninguém menos do que Ahmed Zewail, Prêmio Nobel de Química em 1999, e consistiu, na verdade, de dois avanços em sequência.

Zewail ganhou o Prêmio Nobel pelo seu trabalho no campo agora conhecido como femtoquímica, que usa pulsos de laser ultra curtos para observar reações químicas fundamentais que ocorrem na escala de tempo dos femtossegundos - um milionésimo de um bilionésimo de segundo.

O trabalho da femtoquímica "capturou os átomos e as moléculas em movimento", diz Zewail, mas, enquanto instantâneos dessas moléculas fornecem a "dimensão tempo" das reações químicas, eles não dão a dimensão do espaço dessas reações, isto é, a sua estrutura ou arquitetura.

Microscopia 4D

Zewail e seus colegas conseguiram visualizar a arquitetura que faltava por meio da microscopia 4D, que usa elétrons individuais para introduzir a dimensão do tempo na microscopia eletrônica de alta resolução tradicional, proporcionando assim uma forma de ver, em tempo real, as mudanças na estrutura de sistemas complexos em escala atômica.

Nessa técnica, um objeto é iluminado com um feixe de elétrons. Os elétrons refletem-se nos átomos do objeto, espalham-se e são detectados por um sensor. Os padrões gerados no detector fornecem informações sobre o arranjo dos átomos no material. No entanto, se os átomos estiverem em movimento, os padrões saem borrados, obscurecendo detalhes sobre variações em pequena escala no material.

Filmes de átomos

Esta é a difração obtida do silício pelo microscópio 4D. A escala, em décimos de nanômetros, pode ser calculada pelos padrões na superfície. [Imagem: Zewail/Science/AAAS]

Zewail e seu colaborador Aycan Yurtsever então desenvolveram uma nova técnica que lida com o problema da borradura usando pulsos de elétrons, em vez de um feixe constante de elétrons.

A amostra em estudo, uma pastilha de silício cristalino, é primeiro aquecida com um curto pulso de luz laser. A amostra é então atingida com um pulso de elétrons com duração de femtossegundos, que rebatem nos átomos, produzindo um padrão de difração no detector.

Como os pulsos de elétrons são incrivelmente breves, os átomos aquecidos não têm tempo de se movimentar muito. Esse "tempo de exposição" extremamente curto produz uma imagem nítida.

Ajustando o intervalo entre o aquecimento da amostra e a captura da imagem, os cientistas montam uma coleção de imagens fixas que podem ser depois juntadas em sequência para formar um filme.

"Basicamente, todos as amostras com que lidamos são heterogêneas, com composições que variam em áreas muito pequenas," explica Zewail. "Esta técnica fornece um meio para examinar pontos localizados em materiais e estruturas biológicas, com uma resolução espacial de um nanômetro ou menos, e resolução temporal de femtossegundos."

Ou seja, esta técnica aprimorada permite que as estruturas dos materiais sejam mapeadas e filmadas em escala atômica.

Filmando fótons

Entra em cartaz a segunda técnica, desenvolvida em colaboração com Brett Barwick e David Flannigan.

Nesta, a luz produzida por aquelas mesmas nanoestruturas que estão sendo observadas podem ser analisadas, mapeadas e filmadas.

O conceito desta nova técnica envolve a interação entre os elétrons e os fótons. Os fótons geram um campo evanescente em nanoestruturas, e os elétrons podem ganhar energia a partir desses campos, o que os torna visíveis no microscópio 4D.

A técnica foi batizada de PINEM (Photon-Induced Near-field Electron Microscopy - microscopia eletrônica de proximidade de campo induzida por fótons.

Determinados materiais, depois de serem atingidos por pulsos de laser, continuam a "brilhar" durante uma fração extremamente pequena, mas mensurável, de tempo - da ordem de dezenas a centenas de femtossegundos.

O poder desta nova técnica de microscopia é que ela oferece um meio de visualizar o campo evanescente quando os elétrons que ganharam energia são seletivamente identificados, e de gerar imagens das próprias nanoestruturas quando os elétrons que não ganharam energia são selecionados.

"O que é interessante do ponto de vista da física fundamental é que agora somos capazes de filmar fótons usando elétrons. Tradicionalmente, por causa do descompasso entre a energia e o momento dos elétrons e dos fótons, nós não esperávamos a intensidade [agora verificada] do efeito PINEM, ou a capacidade de visualizá-lo no espaço e no tempo," diz Zewail.