Pesquisadores de Regensburg e Birmingham superaram uma limitação fundamental da microscopia óptica. Com a ajuda de efeitos da mecânica quântica, eles conseguiram, pela primeira vez, realizar medições ópticas com resolução atômica. O trabalho foi publicado na revista Nano Letters .

Das câmeras de smartphones aos telescópios espaciais, o desejo de observar detalhes cada vez mais minuciosos impulsionou o progresso tecnológico. Contudo, à medida que exploramos escalas de comprimento cada vez menores, deparamo-nos com um limite fundamental imposto pela própria luz. Como a luz se comporta como uma onda, ela não pode ser focalizada com nitidez arbitrária devido a um efeito chamado difração. Consequentemente, os microscópios ópticos convencionais são incapazes de resolver estruturas muito menores que o comprimento de onda da luz, colocando os próprios componentes básicos da matéria além da observação óptica direta.

Agora, pesquisadores do Centro de Nanoscopia Ultrarrápida de Regensburg, juntamente com colegas da Universidade de Birmingham, descobriram uma nova maneira de superar essa limitação. Usando lasers de onda contínua padrão, eles conseguiram realizar medições ópticas a distâncias comparáveis ao espaçamento entre átomos individuais.

Eles alcançam essa resolução incrível aproximando extraordinariamente uma ponta metálica afiada da superfície do material em estudo — separada por um espaço menor que o tamanho de um único átomo. Um laser de onda contínua ilumina o sistema, "comprimindo" a luz infravermelha no minúsculo espaço e concentrando-a no ápice da ponta. Confinar a luz dessa maneira contorna o limite de difração e permite uma resolução espacial da ordem do raio de curvatura do ápice da ponta — tipicamente cerca de 10 nanômetros.

Embora isso já represente uma melhoria drástica em relação às técnicas convencionais de campo distante, ainda é cerca de 30 vezes mais grosseiro do que o necessário para resolver detalhes em escala atômica. Determinada a encontrar o limite absoluto da resolução espacial, a equipe continuou aproximando a ponta da superfície. O que se seguiu surpreendeu a todos. "A distâncias muito pequenas, o sinal aumentou drasticamente", diz Felix Schiegl, da Universidade de Regensburg. "Não entendemos imediatamente o que estava acontecendo. A verdadeira surpresa veio quando percebemos que estávamos resolvendo detalhes em escala atômica com dimensões de até 0,1 nanômetro."

A explicação reside na mecânica quântica. Embora a ponta e a superfície não se toquem fisicamente no sentido clássico, os elétrons ainda podem tunelar entre elas. O campo elétrico oscilante contínuo da luz infravermelha força os elétrons a se moverem para frente e para trás entre a ponta e a superfície. De forma semelhante à oscilação de elétrons em uma antena de rádio, esse movimento produz um sinal eletromagnético fraco — e os pesquisadores conseguiram detectar essa emissão de tunelamento óptico de campo próximo.

"É notável que apenas um elétron, movendo-se por uma distância menor que o tamanho de um átomo a cada cem ciclos de luz, já seja capaz de produzir luz forte o suficiente para ser detectada", afirma o Dr. Tom Siday, da Universidade de Birmingham. A partir dessa luz emitida , o movimento dos elétrons entre a ponta e a amostra — e, consequentemente, propriedades do material, como a condutividade — pode ser medido com precisão em escala atômica.

"O passo decisivo é que não estamos mais limitados pela capacidade de confinamento da luz", afirma Valentin Bergbauer, da Universidade de Regensburg. "Em vez disso, controlamos e medimos diretamente o movimento quântico de elétrons confinados a dimensões atômicas — um salto quântico que leva a microscopia óptica a escalas de comprimento quase 100.000 vezes menores do que as que os microscópios ópticos convencionais conseguem resolver."

É importante destacar que esse efeito pode ser obtido usando um laser de onda contínua padrão , em vez de lasers ultrarrápidos mais potentes, porém mais caros, que antes eram considerados necessários. Essa simplicidade pode contribuir para tornar a técnica mais acessível e acelerar sua adoção em laboratórios ao redor do mundo.

O estudo demonstra que as medições ópticas agora podem alcançar distâncias antes consideradas inacessíveis, graças ao controle preciso de pontas atomicamente afiadas. No futuro, essa nova abordagem poderá permitir que os cientistas estudem como os materiais interagem com a luz na escala de átomos individuais, fornecendo informações sobre como os processos microscópicos nessas escalas minúsculas determinam fundamentalmente as propriedades macroscópicas dos materiais.