doi.org/10.1126/science.adp9143
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#Partículas
Físicos da Universidade de Konstanz descobriram uma maneira de imprimir uma forma geométrica de quiralidade nunca antes vista em elétrons usando luz laser, criando bobinas quirais de massa e carga
Este avanço na manipulação da quiralidade eletrônica tem vastas implicações para a óptica quântica, a física de partículas e a microscopia eletrônica, abrindo caminho para novas explorações científicas e inovações tecnológicas.Compreendendo a quiralidade e suas implicações
Você já colocou a palma da mão direita nas costas da mão esquerda, de forma que todos os dedos apontassem na mesma direção? Se sim, então provavelmente sabe que o polegar direito não tocará o polegar esquerdo.
Nem rotações, nem translações, nem suas combinações podem transformar a mão esquerda em mão direita e vice-versa.
Esse recurso é chamado de quiralidade Cientistas da Universidade de Konstanz, na Alemanha agora conseguiram imprimir essa quiralidade tridimensional na função de onda de um único elétron Eles usaram a luz laser para moldar a onda de matéria do elétron em bobinas de massa e carga canhotas ou destras Essas partículas elementares projetadas com geometrias quirais outras além do seu spin intrínseco, têm implicações para a física fundamental, mas também podem ser úteis para uma série de aplicações, como óptica quântica, física de partículas ou microscopia eletrônica.
“Estamos abrindo novos potenciais para a pesquisa científica que não foram considerados antes”, diz Peter Baum, autor correspondente do estudo e chefe do grupo de pesquisa Luz e Matéria da Universidade de Konstanz
Quiralidade de partículas individuais e compósitos
Objetos quirais desempenham um papel crucial na natureza e na tecnologia No reino das partículas elementares, um dos fenômenos quirais mais importantes é o spin, que é frequentemente comparado a uma auto-rotação de uma partícula, mas está em na verdade, uma propriedade puramente mecânica quântica sem análogo clássico. Um elétron, por exemplo, tem um spin de meio e, portanto, frequentemente existe em dois estados potenciais: um destro e um canhoto.
Este aspecto fundamental da mecânica quântica dá dar origem a muitos fenômenos importantes do mundo real, como quase todos os fenômenos magnéticos ou a tabela periódica dos elementos O spin do elétron também é crítico para o desenvolvimento de tecnologias avançadas, como computadores quânticos ou supercondutores.
No entanto, também existem objetos quirais compostos nos quais nenhum dos constituintes é quiral por si só Nossa mão, por exemplo, é composta de átomos sem nenhuma quiralidade particular, mas ainda assim é um objeto quiral, como aprendemos anteriormente.
O mesmo é verdade para muitas moléculas nas quais a quiralidade aparece sem a necessidade de qualquer quiral constituinte O fato de uma molécula estar na geometria canhota ou destra pode fazer a diferença entre uma droga curativa e uma substância prejudicial – ambas as versões podem ter efeitos biológicos muito diferentes devido à sua geometria tridimensional diferente.
Na física de materiais e nanofotônica, a quiralidade influencia o comportamento de materiais magnéticos e metamateriais, levando a fenômenos como isolantes topológicos ou dicroísmo quiral A capacidade de controlar e manipular a quiralidade de materiais compósitos compostos de constituintes aquirais oferece, portanto, um botão rico para ajustar as propriedades dos materiais conforme necessário para aplicativos
Avanços nas técnicas de manipulação de elétrons
É possível moldar um único elétron em um objeto tridimensional quiral em termos de carga e massa? Em outras palavras: a quiralidade pode ser induzida em um elétron sem a necessidade de spin? Até agora, os pesquisadores apenas moveram elétrons ao longo de trajetórias espirais ou criaram feixes de vórtices de elétrons nos quais a fase da onda de Broglie gira em torno do centro do feixe com carga e massa constantes.
Em contraste, o objeto de onda de matéria quiral relatado pelos físicos de Konstanz em seu artigo científico tem uma onda de de Broglie plana, mas os valores esperados de carga e massa são moldados em uma forma quiral.
Para criar este objeto, eles usaram um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida e o combinaram com a tecnologia laser.
Os pesquisadores primeiro geraram pulsos de elétrons de femtossegundos e em seguida, moldou-os em padrões quirais, interagindo com ondas de laser precisamente moduladas com campos elétricos em espiral.
Normalmente, os elétrons e os fótons do laser não interagem em tal experimento, porque a energia e o momento não podem ser conservados.
No entanto, as membranas de nitreto de silício, que são transparentes aos elétrons mas alterar a fase da luz do laser facilitou a interação no experimento Os campos elétricos espirais na onda do laser aceleraram ou desaceleraram o elétron que chegava em torno do centro do feixe, dependendo da posição azimutal Mais tarde no feixe, o elétron acelerado ou desacelerado os elétrons eventualmente se alcançaram e a função de onda foi transformada em uma bobina quiral de massa e carga.
Em seguida, usamos a microscopia eletrônica de attossegundos para obter uma medição tomográfica detalhada do valor esperado do elétron, ou seja, a probabilidade de estar em algum lugar no espaço e tempo,- diz Baum, explicando a maneira como eles mediram as formas geradas.
Bobinas simples ou duplas para destros ou canhotos apareceram no experimento.
Nem spin, nem momento angular, nem trajetórias espirais foram necessários para produzir esta quiralidade puramente geométrica.
Para investigar melhor uma interação de bobinas de elétrons tridimensionais com outros materiais quirais preservaria a quiralidade, os pesquisadores colocaram nanopartículas de ouro com campos eletromagnéticos quirais em seu microscópio eletrônico e usaram as bobinas de elétrons quirais para medir a dinâmica de dispersão Dependendo se os pesquisadores dispararam um canhoto elétron em um objeto nanofotônico destro ou vice-versa, os resultados mostraram fenômenos de interferência rotacional construtivos ou destrutivos.
Em certo sentido, a quiralidade geral nunca desapareceu
Um mundo totalmente novo de possibilidades
a capacidade de moldar elétrons em bobinas quirais de massa e carga abre novos caminhos para a exploração científica e inovação tecnológica Por exemplo, os feixes de elétrons quirais projetados devem ser úteis para pinças eletrônicas-ópticas quirais, tecnologias de sensores quirais, microscopia eletrônica quântica ou para sondar e criar movimento rotacional em materiais atômicos ou nanoestruturados.
Além disso, eles contribuirão para a física geral de partículas e para a óptica quântica.
Embora até agora tenhamos modulado apenas o elétron, uma das partículas elementares mais simples, o método é geral e aplicável a quase qualquer partícula ou onda de matéria Que outras partículas elementares têm ou podem ter tais formas quirais, e existem possíveis consequências cosmológicas? – diz Baum O próximo passo dos pesquisadores é usar seus elétrons quirais em imagens eletrônicas de attossegundos e microscopia de dois elétrons , a fim de elucidar ainda mais a intrincada interação entre a luz quiral e as ondas de matéria quiral para aplicações em tecnologias futuras
Publicado em 17/07/2024 11h00
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