Cientistas das universidades de Bonn, na Alemanha, e Bristol, no Reino Unido, alcançaram um feito inovador ao medir, pela primeira vez, a localização tridimensional de átomos individuais e sintetizá-los em uma única imagem. Este avanço, detalhado em um artigo recente na revista Physical Review A, introduz uma nova abordagem para observar interações quânticas em materiais.
De acordo com os pesquisadores, sua técnica utiliza um sistema de microscopia quântica de gás, combinado com um modulador de luz espacial, para otimizar a resolução do sistema de imagem. Esse método ampliado vai além das técnicas convencionais, que normalmente representam as coordenadas x e y, indicando a posição do elétron em um plano bidimensional. Agora, a dimensão z também é incorporada, mostrando a posição vertical do átomo, ou seja, a distância entre a unidade básica de matéria e a objetiva do microscópio.
Para contornar o problema da imagem plana comum nos telescópios convencionais, a equipe empregou uma abordagem inovadora. Inicialmente, os átomos foram resfriados até atingirem o estado de congelamento e, em seguida, aprisionados em uma onda estacionária de luz, sendo deslocados para as depressões como se estivessem sendo colocados “em uma caixa de ovos”, conforme explicado em um comunicado de imprensa. Após serem capturados para revelar suas posições, os átomos foram expostos a um feixe de laser que os incentivou a emitir luz, resultando em uma fluorescência exibida como uma mancha desfocada e arredondada.
Este novo método altera a “frente de onda da luz emitida pelo átomo”, conforme descrito por Andrea Alberti, coautor do estudo e físico quântico da universidade alemã. “Essa frente de onda deformada cria uma forma de haltere na câmera, que gira em torno de si mesma. A direção para a qual esse haltere aponta depende da distância que a luz percorreu do átomo até a câmera”, ou seja, representa a posição z.
Medir átomos em 3D é fundamental para uma série de aplicações em diversas áreas da ciência e da tecnologia. Aqui estão algumas das utilidades mais importantes:
- Nanotecnologia e materiais avançados: Compreender a estrutura tridimensional dos átomos é essencial para projetar e desenvolver materiais com propriedades específicas, como resistência, condutividade elétrica e magnética, entre outras.
- Química e farmacologia: A compreensão da localização tridimensional dos átomos em moléculas é crucial para projetar medicamentos mais eficazes e entender os mecanismos de reações químicas.
- Física de materiais: O estudo da estrutura atômica tridimensional de materiais sólidos permite compreender suas propriedades físicas, como condutividade térmica, densidade, efeitos magnéticos e ópticos, entre outros.
- Eletrônica e dispositivos semicondutores: A manipulação precisa dos átomos em três dimensões é essencial para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos cada vez menores e mais eficientes, como transistores e circuitos integrados.
- Biologia e medicina: A medição tridimensional de átomos em biomoléculas ajuda os cientistas a entender a estrutura e a função de proteínas, enzimas e DNA, contribuindo para o desenvolvimento de tratamentos médicos mais eficazes e o avanço da pesquisa biomédica.
Essas são apenas algumas das áreas em que a medição tridimensional de átomos é fundamental. Em resumo, essa técnica desempenha um papel crucial em muitos campos da ciência e da tecnologia, permitindo avanços significativos em diversos aspectos da nossa compreensão do mundo e na criação de novas tecnologias e materiais.
Determinar a posição precisa de um átomo em três dimensões com uma única imagem pode ser de grande utilidade em experimentos de mecânica quântica com átomos, nos quais é crucial rastrear sua localização. Essa precisão é fundamental para garantir que essas partículas interajam da maneira desejada pelos cientistas.
A equipe está focada em aprimorar a técnica desenvolvida, visando adaptá-la para funcionar em diferentes contextos além da microscopia quântica de gases. Isso abre novas perspectivas, como a possibilidade de criar materiais quânticos personalizados e obter insights inéditos sobre o Universo em escalas extremamente pequenas.
“Explorar os efeitos da mecânica quântica quando os átomos são organizados de maneira específica nos permitiria simular, em certa medida, as propriedades dos materiais tridimensionais sem a necessidade de sintetizá-los”, afirma a coautora Carrie Weidner, física quântica da Universidade de Bristol.
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