Cientistas detectam as propriedades quânticas das oscilações óptico-eletrônicas coletivas em nanoescala.
Por Universidade de Wuerzburg com informações de Science Daily.
Se a luz em nossos espaços de vida está ligada ou desligada, pode ser regulada na vida cotidiana simplesmente alcançando o interruptor de luz. No entanto, quando o espaço para a luz é reduzido a alguns nanômetros, os efeitos da mecânica quântica dominam e não fica claro se há luz nele ou não. Ambos podem até ser o caso ao mesmo tempo, como cientistas da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) e da Universidade de Bielefeld mostram na revista “Nature Physics”.
“A detecção desses estados exóticos da física quântica nas escalas de tamanho dos transistores elétricos pode ajudar no desenvolvimento de tecnologias quânticas ópticas de futuros chips de computador”, explica Bert Hecht, professor de Würzburg. As nanoestruturas estudadas foram produzidas em seu grupo.
A tecnologia do nosso mundo digital é baseada no princípio de que ou uma corrente flui ou não: um ou zero, ligado ou desligado. Existem dois estados claros. Já na física quântica, é possível desconsiderar esse princípio e criar uma superposição arbitrária dos supostos opostos. Isso aumenta muitas vezes as possibilidades de transmissão e processamento de informações. Esses estados de superposição são conhecidos há algum tempo, especialmente para as partículas de luz, os chamados fótons, e são usados na detecção de ondas gravitacionais.
Estados quânticos detectados
Uma equipe de físicos e químicos físicos de Bielefeld e Würzburg conseguiu detectar esses estados de superposição de luz diretamente em uma nanoestrutura. A luz é captada em uma nanoestrutura em um espaço muito pequeno e se acopla a oscilações eletrônicas: os chamados plasmons. Isso permite que a energia da luz seja mantida no lugar em nanoescala.
No experimento do grupo do professor de Würzburg, Tobias Brixner, os pesquisadores investigaram quantos fótons de um pulso de luz acoplam à nanoestrutura. O resultado: simultaneamente nenhum fóton e três fótons! Brixner explica: “Detectar essa assinatura foi um enorme desafio. Os fótons podem ser detectados muito bem com detectores sensíveis; no entanto, no caso de fótons individuais, que também estão em um estado de superposição mecânica quântica, não existem métodos adequados no nanomundo. ” Além disso, os estados acoplados de fótons e elétrons sobrevivem por menos de um milionésimo de um milionésimo de segundo e depois decaem novamente, deixando quase nenhum tempo para sua detecção.
Maior resolução espacial e temporal combinada
Nos experimentos agora publicados, uma detecção especial foi usada. “A energia liberada durante o decaimento do estado é suficiente para liberar outros elétrons da nanoestrutura”, explica o professor Walter Pfeiffer (Bielefeld), que desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento do modelo físico e na interpretação dos dados. Os elétrons acionados poderiam então ser capturados em uma imagem usando um microscópio eletrônico de fotoemissão e uma resolução de alguns nanômetros. Devido aos tempos de decaimento rápidos, sequências de pulsos de laser ultracurtos foram usadas para obter a “impressão digital” dos estados de superposição da luz.
Este é um primeiro passo em direção ao objetivo de analisar o estado físico quântico completo de fótons e elétrons acoplados diretamente em nanoescala. Um processo que, como na medicina, é descrito pelo termo tomografia. A luz nos escritórios e laboratórios dos cientistas envolvidos deve, portanto, permanecer claramente acesa.
Fonte da história:
Materiais fornecios pela Universidade de Würzburg.
Referências de periódicos :
Sebastian Pres, Bernhard Huber, Matthias Hensen, Daniel Fersch, Enno Schatz, Daniel Friedrich, Victor Lisinetskii, Ruben Pompe, Bert Hecht, Walter Pfeiffer, Tobias Brixner. Detection of a plasmon-polariton quantum wave packet. Nature Physics, 2023; DOI: 10.1038/s41567-022-01912-5
Tobias Brixner and Walter Pfeiffer. Identifying the quantum fingerprint of plasmon polaritons. Nature Physics, 2023 DOI: 10.1038/s41567-022-01925-0
