Hashem disse: “Haja luz”; e havia luz. Gênesis 1: 3 (The Israel BibleTM)
Usando um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápido, pesquisadores do Instituto de Tecnologia Technion-Israel em Haifa registraram, pela primeira vez, a propagação de ondas de som e luz combinadas em materiais atomicamente finos.
Embora essa descoberta israelense envolva ciência básica, os pesquisadores esperam que no futuro inúmeras aplicações para a indústria e pesquisa. “Podemos usar o sistema para estudar diferentes fenômenos físicos que não são acessíveis de outra forma”, disse o Prof. Ido Kaminer da Faculdade Viterbi de Engenharia Elétrica e de Computação do Technion e do Solid State Institute. “Estamos planejando experimentos que vão medir vórtices de luz, experimentos na Teoria do Caos e simulações de fenômenos que ocorrem perto de buracos negros. Além disso, nossas descobertas podem permitir a produção de “cabos” de fibra ótica finos tão finos quanto átomos que poderiam ser colocados dentro de circuitos elétricos e transmitir dados sem superaquecer o sistema – uma tarefa que atualmente enfrenta desafios consideráveis devido à minimização do circuito.”
O trabalho da equipe inicia a pesquisa de pulsos de luz dentro de um novo conjunto de materiais, amplia as capacidades dos microscópios eletrônicos e promove a possibilidade de comunicação óptica através de camadas atomicamente finas.
Este estudo nasceu no auge da epidemia de COVID-19. Nos meses de bloqueio quando as universidades do país foram fechadas, Yaniv Kurman – um estudante graduado no laboratório de Kaminer – sentou-se em casa e realizou cálculos matemáticos prevendo como os pulsos de luz deveriam se comportar em materiais bidimensionais e como eles poderiam ser medidos.
Enquanto isso, um colega do mesmo laboratório, Raphael Dahan, percebeu como focar pulsos infravermelhos no microscópio eletrônico do grupo e fez as atualizações necessárias para conseguir isso. Assim que o bloqueio acabou, o grupo foi capaz de provar a teoria de Kurman e revelar fenômenos mais inesperados. Os experimentos foram realizados no Laboratório de Dinâmica Quântica de Feixe de Eletrões Magid chefiado por Kaminer.
“Fiquei emocionado com essas descobertas”, disse o Prof. Harald Giessen, da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, que não fez parte da pesquisa. “Isso representa um verdadeiro avanço em nano-óptica ultrarrápida e representa o estado da arte e a vanguarda da fronteira científica. A observação no espaço real e em tempo real é linda e, que eu saiba, não foi demonstrada antes.”
Os materiais de camada única, alternativamente conhecidos como materiais 2D, são em si materiais novos – sólidos que consistem em uma única camada de átomos. O grafeno, o primeiro material 2D descoberto, foi isolado pela primeira vez em 2004, uma conquista que trouxe o Prêmio Nobel de Física de 2010 para Andre Geim, um físico holandês-britânico nascido na Rússia e Konstantin Novoselov, um físico russo-britânico. na Universidade de Manchester.
Agora, pela primeira vez, os cientistas do Technion mostram como pulsos de luz se movem dentro desses materiais. Suas descobertas foram publicadas na prestigiosa revista Science sob o título “Imagem Espacial de Polariton 2D Wavepacket Dynamics Usando Elétrons Livres”, seguindo grande interesse de muitos cientistas.
A luz se move pelo espaço a 300.000 km / segundo. Movendo-se pela água ou pelo vidro, ele desacelera uma fração. Mas quando se move através de certas camadas de sólidos, a luz diminui quase mil vezes. Isso ocorre porque a luz faz os átomos desses materiais especiais vibrarem para criar ondas sonoras (também chamadas de fônons), e essas ondas sonoras atômicas criam luz quando vibram. Assim, o pulso é, na verdade, uma combinação fortemente ligada de som e luz, chamada de “fonon-polariton”. Iluminado, o material “canta”.
Os cientistas lançaram pulsos de luz ao longo da borda de um material 2D, produzindo no material as ondas híbridas de som e luz. Eles não só foram capazes de registrar essas ondas, mas também descobriram que os pulsos podem aumentar e diminuir a velocidade espontaneamente. Surpreendentemente, as ondas até se dividem em dois pulsos separados, movendo-se em velocidades diferentes.
O experimento foi conduzido em um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápido. Ao contrário dos microscópios ópticos e dos microscópios eletrônicos de varredura, aqui as partículas passam pela amostra e são recebidas por um detector. Esse processo permitiu aos pesquisadores rastrear a onda som-luz em resolução sem precedentes, tanto no espaço quanto no tempo. A resolução de tempo é de 50 femtossegundos – 50X10-15 segundos – o número de quadros por segundo é semelhante ao número de segundos em um milhão de anos.
“A onda híbrida se move dentro do material, então você não pode observá-la usando um microscópio óptico comum”, explicou Kurman. “A maioria das medições de luz em materiais 2D são baseadas em técnicas de microscopia que usam objetos semelhantes a agulhas que varrem a superfície ponto a ponto, mas cada contato de agulha perturba o movimento da onda que tentamos imaginar. Em contraste, nossa nova técnica pode imaginar o movimento da luz sem perturbá-lo. Nossos resultados não poderiam ter sido alcançados com os métodos existentes. Portanto, além de nossas descobertas científicas, apresentamos uma técnica de medição nunca vista que será relevante para muitas outras descobertas científicas.”
Outro proeminente cientista não envolvido no estudo, o Prof. John Joannopoulos do Massachusetts Institute of Technology, acrescentou que “a chave para esta realização está no design inteligente e no desenvolvimento de um sistema experimental. Este trabalho de Ido Kaminer e seu grupo e colegas é um passo crítico em frente. É de grande interesse científico e tecnológico, e é de importância crítica para o campo”.
Publicado em 14/06/2021 09h41
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