Microscópio é capaz de detectar elétrons em movimento! Qual a tecnologia por trás dele?

Observar o mundo micro é um dos grandes desafios para físicos e químicos que tem permanecido por séculos. Além da limitação tecnológica, há uma limitação física onde muitos desses microscópios dependem da interação com os fótons. No mundo das partículas, conseguir observar as estruturas se torna uma questão complexa porque os fótons podem passar sem interagir.

Dessa forma muitos físicos utilizam outras propriedades da Mecânica Quântica para conseguir observar. Um exemplo foi em 2013 que um grupo de pesquisadores criou uma câmera com base nos efeitos quânticos do elétron. Com a técnica, o grupo conseguiu criar uma imagem do átomo de hidrogênio mostrando como a função de onda descreve o comportamento dos elétrons.

Recentemente, físicos da Universidade do Arizona publicaram um artigo onde descrevem uma técnica para conseguir observar elétrons. Esse microscópio ficou conhecido como o mais rápido do mundo por observar objetos que conseguem dar a volta na Terra várias vezes em apenas um segundo. Essa é uma revolução na Física para observar o mundo curioso do micro.

Elétrons

A Física de partículas é uma área que foca em estudar as partículas que compõem a estrutura da matéria. Além disso, a área também foca em estudar as interações importantes nos processos que acontecem no Universo. O elétron é uma dessas partículas subatômicas que pertence a uma classe chamada de léptons. Elétrons possuem uma carga negativa e se atraem, através da interação elétrica, aos prótons que tem carga positiva.

Assim como outras partículas, os elétrons também são descritos pela função de onda e apresentam a dualidade partícula-onda. Ele possui uma natureza probabilística que é a natureza da maioria dos fenômenos na Mecânica Quântica. Quando se observa um elétron, ele colapsa para um estado sendo impossível observar outros estados que ele esteve ou poderia estar.

Imagem do hidrogênio

Por causa dessas características do elétron, ele é bastante utilizado em diversas técnicas e aplicações tecnológicas. Um exemplo aconteceu em 2013 quando pesquisadores anunciaram a primeira foto de um átomo de hidrogênio. Essa foto seria nuvem de probabilidades de distribuição do elétron em torno do núcleo. O hidrogênio possui um elétron e um próton.

Usando microscopia quântica e interferometria, o grupo de pesquisadores usaram os dados para encontrar as possíveis posições do elétron. Os dados foram usados junto com a equação de onda para descrever a estrutura do átomo de hidrogênio. Além disso, a foto ajudou a confirmar algumas propriedades da Mecânica Quântica como, por exemplo, a descrição das possíveis posições que o átomo pode obter em um átomo. Além de descrever como funciona o orbital do hidrogênio e estados quânticos do elétron.

Microscópio de transmissão eletrônica

Uma ferramenta que é importante no estudo de estruturas atômicos é chamada de microscópio de transmissão eletrônica. Como utilizar a luz para observar tem limitações física, esse tipo de microscópio utiliza feixa de elétrons para registrar as estruturas. Os elétrons possuem comprimentos de onda menor que a luz visível e ao interagirem com outros elétrons, eles produzem uma imagem do que está na estrutura atômica.

O microscópio de transmissão eletrônica conseguem atingir uma resolução altissima chegando até a ordem de picômetros. Essa resolução permite observar átomos individuais e entender a composição de cada átomo. Em 2023, o Nobel de Física foi para Ferenc Krausz, Pierre Agostini e Anne L'Huillie que introduziram técnicas e observações usando microscópio de transmissão eletrônica.

Microscópio mais rápido do mundo

Com base no trabalho ganhador do Nobel de 2023, o grupo da Universidade do Arizona trouxeram um avanço nos microscópios de transmissão eletrônica. No novo tipo de telescópio, um laser é dividido em pulso de elétrons e dois pulsos de luz. Um pulso de luz é chamado de pulso de excitação que fornece energia aos elétrons para se moverem. O segundo pulso chamado de ativação cria uma janela para o pulso de elétrons passar.

O pulso de elétrons funciona como os outros microscópios de transmissão eletrônica mas a diferença agora é a frequência. Quanto maior a frequência, maior a resolução da imagem que será observada. Essa frequência depende do pulso de ativação e é necessário que os dois sejam cuidadosamente sincronizados. A resposta depende dos pulsos de elétrons que a interação com outros elétrons formará a imagem.

Avanço na Física

A observação do comportamento do elétron dá evidência visual para conceitos da Mecânica Quântica. O avanço na área ajuda a compreender a estrutura atômica e aplicar o método científico. Além disso, existe a possibilidade de aplicação dentro da tecnologia ao entender como elétrons funcionam da mesma forma que ocorreu um avanço nos últimos anos desde telas até computadores.

Referência da notícia:

Hui et al. 2024 Attosecond electron microscopy and diffraction Science