Uma equipe internacional de cientistas apresentou uma técnica capaz de amplificar sinais extremamente fracos na espectroscopia por feixe de elétrons, superando uma das principais limitações da microscopia eletrônica moderna. O método, chamado de ganho sintético por ondas de frequência complexa, permite revelar excitações ópticas e quânticas que antes ficavam completamente ocultas pelo ruído experimental ou pela chamada zero-loss peak — o pico dominante que costuma mascarar informações essenciais.

O estudo foi publicado na revista Nature Communications, uma das mais prestigiadas do mundo científico, e reúne pesquisadores da Universidade de Hong Kong, da Hunan University e de centros avançados de ciência quântica na China.

A espectroscopia por perda de energia de elétrons (Electron Energy Loss Spectroscopy – EELS) e a catodoluminescência (CL) são ferramentas essenciais para investigar materiais em escala nanométrica, com resolução espacial próxima ao nível atômico. No entanto, esses métodos sofrem com um problema recorrente: a interação entre elétrons e luz é naturalmente muito fraca.

Segundo os autores, essa limitação leva a três obstáculos principais: baixa relação sinal-ruído, especialmente em medições de alta resolução; sobreposição espectral, em que excitações importantes ficam escondidas sob picos mais intensos; dificuldade de observar eventos quânticos raros, como a emissão espontânea de múltiplos fótons.

“Em muitos casos, as informações mais interessantes simplesmente desaparecem nos dados brutos”, explica o físico Yi Yang, um dos autores correspondentes do estudo.

Em vez de adicionar amplificadores reais — que podem gerar instabilidade, aquecimento e ruído — os pesquisadores propuseram um conceito inovador: ganho virtual, obtido por pós-processamento matemático dos dados experimentais.

A técnica usa ondas de frequência complexa, sintetizadas a partir da combinação coerente de múltas frequências reais, respeitando rigorosamente os princípios da causalidade física. O resultado é um efeito equivalente a compensar perdas do material, sem introduzir energia extra no sistema.

“Nosso método funciona como um ganho artificial que não existe fisicamente, mas que amplifica as características espectrais de forma controlada”, afirma Shuang Zhang, coautor do trabalho.

Os experimentos demonstraram avanços impressionantes:

Em membranas multicamadas, o número de picos espectrais identificáveis aumentou de três para cinco, incluindo excitações antes invisíveis;

Em nanopartículas de prata com apenas 20 nanômetros, modos plasmônicos enterrados sob o pico de perda zero tornaram-se claramente detectáveis;

Em medições de catodoluminescência, o número de modos ópticos observados quadruplicou — de um para quatro;

Eventos quânticos raríssimos, como processos espontâneos de quatro fótons, passaram a ser distinguíveis nos espectros.

De acordo com o artigo, a técnica melhora significativamente a qualidade de imagens hiperespectrais e a capacidade de caracterização de modos ópticos, mesmo quando o sinal original é extremamente fraco..

Embora o foco inicial seja a microscopia eletrônica, os autores destacam que o método pode ser aplicado a diversas técnicas espectroscópicas, incluindo: espectroscopia fotoeletrônica por raios X (XPS), ARPES (espectroscopia de fotoemissão angular), microscopia de tunelamento, e sistemas de óptica quântica baseados em elétrons livres.

Ao possibilitar a observação de fenômenos antes inacessíveis, o ganho sintético abre caminho para avanços em nanofotônica, materiais quânticos e óptica de elétrons livres. Especialistas avaliam que a técnica pode se tornar um novo padrão no processamento de dados espectroscópicos.

Sem alterar os experimentos, sem adicionar lasers ou amplificadores reais, os pesquisadores conseguiram ver o invisível — um passo que pode mudar profundamente a forma como a ciência observa o mundo nanoscópico.