Por várias décadas, os físicos sabem que a luz pode ser descrita simultaneamente como uma onda e uma partícula. Essa fascinante ‘dualidade’ da luz se deve à natureza clássica e quântica das excitações eletromagnéticas, os processos por meio dos quais os campos eletromagnéticos são produzidos.
Até agora, em todos os experimentos em que a luz interage com elétrons livres, ela foi descrita como uma onda. Pesquisadores do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel, no entanto, reuniram recentemente as primeiras evidências experimentais que revelam a natureza quântica da interação entre fótons e elétrons livres. Suas descobertas, publicadas na Science, podem ter implicações importantes para pesquisas futuras que investiguem fótons e sua interação com elétrons livres.
“A ideia de nosso estudo surgiu há cerca de dois anos, após nossa descoberta experimental de que a interação entre um elétron livre e a luz pode manter sua coerência em distâncias cem vezes maiores do que o período óptico”, Raphael Dahan, Alexey Gorlach e Ido Kaminer, três dos pesquisadores que conduziram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. “Por volta dessa época, dois importantes trabalhos teóricos também foram lançados, ambos explorando como as propriedades quânticas da luz deveriam mudar a interação com os elétrons.”
Esses dois estudos teóricos anteriores, um de Ofer Kfir na Universidade de Göttingen e outro de Javier García de Abajo e seus colegas no Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), previram um novo tipo de interação fundamental que ocorre entre elétrons leves e livres, revelando as propriedades quânticas da luz. Inspirando-se nessas importantes previsões, Kaminer, Dahan, Gorlach e seus colegas começaram a pesquisar um sistema em que pudessem investigar essa interação experimentalmente. Mais especificamente, os pesquisadores queriam demonstrar que as estatísticas quânticas da luz podem alterar a interação elétron-luz.
“Isso nos levou a procurar dois componentes importantes”, explicou Kaminer, Dahan e Gorlach. “O primeiro é um dispositivo que terá melhor acoplamento entre o elétron e a luz, e o segundo é uma fonte fotônica que irá gerar luz quântica com a maior intensidade possível”.
Para alcançar uma maior eficiência de acoplamento, os pesquisadores consultaram membros da comunidade de pesquisa do acelerador no chip (ACHIP), que visa alcançar a aceleração compacta de elétrons usando lasers e integrá-la no chip. Após uma série de cálculos, a equipe descobriu que a eficiência do acoplamento pode ser aumentada cem vezes em comparação com o que foi sugerido por todos os experimentos anteriores.
“Colaboramos primeiro com um grupo de Stanford (Solgaard, Inglaterra, Leedle, Byer e seus alunos) – eles projetaram e nos forneceram uma estrutura ACHIP para o primeiro teste”, disseram Kaminer, Dahan e Gorlach. “Este se tornou o primeiro experimento usando um chip fotônico de silício dentro de um microscópio eletrônico de transmissão e já teve implicações fascinantes, resultando em outro artigo que em breve aparecerá na PRX, de Yuval Adiv et al.”
Posteriormente, Kaminer e seus colegas iniciaram uma colaboração com outra parte da comunidade ACHIP, uma equipe liderada por Peter Hommelhoff em Erlangen, Alemanha. Este grupo de pesquisa forneceu as melhores estruturas do ACHIP do mundo, necessárias para Kaminer conduzir esse experimento complicado.
Para gerar luz quântica intensa, os pesquisadores trabalharam em estreita colaboração com o grupo Eisenstein em Technion. Este grupo permitiu-lhes usar um tipo especial de amplificador óptico: um instrumento que pode mudar as estatísticas quânticas de fótons de luz de uma distribuição Poissoniana (como na luz coerente clássica) para uma distribuição super-Poissoniana.
“Nosso estudo foi uma jornada e tanto”, disse Dahan. “Combinando todos esses elementos diferentes e por meio de um experimento muito desafiador usando nosso microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápido, alcançamos nosso objetivo principal: demonstrar a primeira interação entre um elétron livre e luz com diferentes propriedades quânticas.”
Kaminer e seus colegas conseguiram desvendar a natureza quântica da interação entre fótons e elétrons livres, alterando continuamente as estatísticas de fótons ao longo de seu experimento e mostrando como o espectro de energia do elétron muda em resposta. A mudança nas estatísticas de fótons que observaram variou dependendo da intensidade da bomba e da semente do laser no amplificador óptico.
A principal interação que os pesquisadores exploraram é a que envolve a luz de entrada e os elétrons livres. Em seus experimentos, os elétrons atuam como detectores do estado da luz. Assim, ao medir sua energia, os pesquisadores foram capazes de extrair informações quânticas sobre a luz.
As medições do elétron só podem ser explicadas pela quantização do elétron e da luz, conforme previsto pelos artigos teóricos em que se inspiraram. “Apenas uma vez usando essa nova teoria, a concordância com nossas medições tornou-se muito boa”, disse Kaminer. “De uma perspectiva fundamental, as principais conclusões do nosso estudo são: a interação entre a luz quântica e um elétron livre, o surgimento do emaranhamento na interação e o princípio de correspondência quântico-clássico. Este princípio mostra o efeito de um passeio quântico pelo elétron e sua transição para um passeio aleatório. ”
Além de potencialmente pavimentar o caminho para novas pesquisas físicas relacionadas à luz, as evidências experimentais podem informar o desenvolvimento de várias novas tecnologias. Isso inclui ferramentas de imagem não destrutivas e não invasivas que podem coletar imagens de alta resolução.
“Em primeiro lugar, mostramos que é possível usar elétrons livres para medir as estatísticas quânticas de fótons de luz”, disseram Kaminer, Dahan e Gorlach. “Existem várias vantagens de tais medições que poderiam ser demonstradas no futuro, por exemplo, ser não destrutivas, ter alta resolução temporal e acontecer no campo próximo com alta resolução espacial.”
O trabalho recente de Kaminer e sua equipe prova que é possível formar elétrons temporariamente usando luz de onda contínua (CW). Este resultado poderia permitir a integração de chips fotônicos de silício em microscópios eletrônicos para aumentar as capacidades da microscopia eletrônica, por exemplo, para introduzir a resolução de attossegundo em microscópios de última geração sem prejudicar sua resolução espacial.
“Agora planejamos continuar nosso trabalho em duas direções principais de pesquisa”, disseram Kaminer, Dahan e Gorlach. “O primeiro é trabalhar em direção à tomografia de estado quântico completo de campos próximos fotônicos, como medir a compressão da luz no chip sem a necessidade de acoplar a luz. Outra direção que estamos olhando é a criação de luz quântica usando elétrons de forma coerente, seguindo a visão que apresentamos em nosso recente artigo teórico que sugeriu essa direção. ”
Publicado em 30/09/2021 21h48
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