Tecnologia Científica

Estudo revela a natureza qua¢ntica da interação entre fa³tons e elanãtrons livres
Essa fascinante 'dualidade' da luz se deve a  natureza cla¡ssica e qua¢ntica das excitaa§aµes eletromagnanãticas, os processos por meio dos quais os campos eletromagnanãticos são produzidos.
Por Ingrid Fadelli - 30/09/2021


Uma representação arta­stica da estrutura do ACHIP e da interação nela. Um dispositivo fota´nico de sila­cio integrado em um microsca³pio eletra´nico fornece interações eletra´nicas eficientes com a luz CW, permitindo a detecção das estata­sticas qua¢nticas dos fa³tons. Dependendo das estata­sticas de fa³ton da luz, o elanãtron fica emaranhado com a luz ao passar por um canal fota´nico de sila­cio. A imagem usa o design exato do acelerador fota´nico de sila­cio e também usa a distribuição exata do campo dentro dele para representar a distribuição do campo fota´nico. Crédito: SimplySci Animations, Urs Haeusler e o grupo AdQuanta no Technion.

Por várias décadas, os fa­sicos sabem que a luz pode ser descrita simultaneamente como uma onda e uma parta­cula. Essa fascinante 'dualidade' da luz se deve a  natureza cla¡ssica e qua¢ntica das excitações eletromagnanãticas, os processos por meio dos quais os campos eletromagnanãticos são produzidos.

Atéagora, em todos os experimentos em que a luz interage com elanãtrons livres, ela foi descrita como uma onda. Pesquisadores do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel, no entanto, reuniram recentemente as primeiras evidaªncias experimentais que revelam a natureza qua¢ntica da interação entre fa³tons e elanãtrons livres. Suas descobertas, publicadas na Science , podem ter implicações importantes para pesquisas futuras que investiguem fa³tons e sua interação com elanãtrons livres.

"A ideia de nosso estudo surgiu hácerca de dois anos, após nossa descoberta experimental de que a interação entre um elanãtron livre e a luz pode manter sua coeraªncia em distâncias cem vezes maiores do que o período a³ptico", Raphael Dahan, Alexey Gorlach e Ido Kaminer, três dos pesquisadores que conduziram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Por volta dessa anãpoca, dois importantes trabalhos teóricos também foram lana§ados, ambos explorando como as propriedades qua¢nticas da luz deveriam mudar a interação com os elanãtrons."

Esses dois estudos teóricos anteriores, um de Ofer Kfir na Universidade de Ga¶ttingen e outro de Javier Garca­a de Abajo e seus colegas no Institut de Cia¨ncies Fota²niques (ICFO) , previram um novo tipo de interação fundamental que ocorre entre elanãtrons leves e livres, revelando as propriedades qua¢nticas da luz. Inspirando-se nessas importantes previsaµes, Kaminer, Dahan, Gorlach e seus colegas começam a pesquisar um sistema em que pudessem investigar essa interação experimentalmente. Mais especificamente, os pesquisadores queriam demonstrar que as estata­sticas qua¢nticas da luz podem alterar a interação elanãtron-luz.

"Isso nos levou a procurar dois componentes importantes", explicou Kaminer, Dahan e Gorlach. “O primeiro éum dispositivo que tera¡ melhor acoplamento entre o elanãtron e a luz, e o segundo éuma fonte fota´nica que ira¡ gerar luz qua¢ntica com a maior intensidade possí­vel”.
 
Para alcana§ar uma maior eficiência de acoplamento, os pesquisadores consultaram membros da comunidade de pesquisa do acelerador no chip (ACHIP) , que visa alcana§ar a aceleração compacta de elanãtrons usando lasers e integra¡-la no chip. Apa³s uma sanãrie de ca¡lculos, a equipe descobriu que a eficiência do acoplamento pode ser aumentada cem vezes em comparação com o que foi sugerido por todos os experimentos anteriores.

"Colaboramos primeiro com um grupo de Stanford (Solgaard, Inglaterra, Leedle, Byer e seus alunos) - eles projetaram e nos forneceram uma estrutura ACHIP para o primeiro teste", disseram Kaminer, Dahan e Gorlach. "Este se tornou o primeiro experimento usando um chip fota´nico de sila­cio dentro de um microsca³pio eletra´nico de transmissão e já teve implicações fascinantes, resultando em outro artigo que em breve aparecera¡ na PRX, de Yuval Adiv et al."

Posteriormente, Kaminer e seus colegas iniciaram uma colaboração com outra parte da comunidade ACHIP, uma equipe liderada por Peter Hommelhoff em Erlangen, Alemanha. Este grupo de pesquisa forneceu as melhores estruturas do ACHIP do mundo, necessa¡rias para Kaminer conduzir esse experimento complicado.

Para gerar luz qua¢ntica intensa, os pesquisadores trabalharam em estreita colaboração com o grupo Eisenstein em Technion. Este grupo permitiu-lhes usar um tipo especial de amplificador a³ptico: um instrumento que pode mudar as estata­sticas qua¢nticas de fa³tons de luz de uma distribuição Poissoniana (como na luz coerente cla¡ssica) para uma distribuição super-Poissoniana.

"Nosso estudo foi uma jornada e tanto", disse Dahan. "Combinando todos esses elementos diferentes e por meio de um experimento muito desafiador usando nosso microsca³pio eletra´nico de transmissão ultrarra¡pido , alcana§amos nosso objetivo principal: demonstrar a primeira interação entre um elanãtron livre e luz com diferentes propriedades qua¢nticas."

Kaminer e seus colegas conseguiram desvendar a natureza qua¢ntica da interação entre fa³tons e elanãtrons livres, alterando continuamente as estata­sticas de fa³tons ao longo de seu experimento e mostrando como o espectro de energia do elanãtron muda em resposta. A mudança nas estata­sticas de fa³tons que observaram variou dependendo da intensidade da bomba e da semente do laser no amplificador a³ptico.

A principal interação que os pesquisadores exploraram éa que envolve a luz de entrada e os elanãtrons livres. Em seus experimentos, os elanãtrons atuam como detectores do estado da luz. Assim, ao medir sua energia, os pesquisadores foram capazes de extrair informações qua¢nticas sobre a luz.

As medições do elanãtron são podem ser explicadas pela quantização do elanãtron e da luz, conforme previsto pelos artigos teóricos em que se inspiraram. "Apenas uma vez usando essa nova teoria, a concorda¢ncia com nossas medições tornou-se muito boa", disse Kaminer. "De uma perspectiva fundamental, as principais conclusaµes do nosso estudo são: a interação entre a luz qua¢ntica e um elanãtron livre, o surgimento do emaranhamento na interação e o princa­pio de correspondaªncia qua¢ntico-cla¡ssico. Este princa­pio mostra o efeito de um passeio qua¢ntico pelo elanãtron e sua transição para um passeio aleata³rio. "

Além de potencialmente pavimentar o caminho para novas pesquisas físicas relacionadas a  luz, as evidaªncias experimentais podem informar o desenvolvimento de várias novas tecnologias. Isso inclui ferramentas de imagem não destrutivas e não invasivas que podem coletar imagens de alta resolução.

"Em primeiro lugar, mostramos que épossí­vel usar elanãtrons livres para medir as estata­sticas qua¢nticas de fa³tons de luz", disseram Kaminer, Dahan e Gorlach. "Existem várias vantagens de tais medições que poderiam ser demonstradas no futuro, por exemplo, ser não destrutivas, ter alta resolução temporal e acontecer no campo pra³ximo com alta resolução espacial."

O trabalho recente de Kaminer e sua equipe prova que épossí­vel formar elanãtrons temporariamente usando luz de onda conta­nua (CW). Este resultado poderia permitir a integração de chips fota´nicos de sila­cio em microsca³pios eletra´nicos para aumentar as capacidades da microscopia eletra´nica, por exemplo, para introduzir a resolução de attossegundo em microsca³pios de última geração sem prejudicar sua resolução espacial.

"Agora planejamos continuar nosso trabalho em duas direções principais de pesquisa", disseram Kaminer, Dahan e Gorlach. "O primeiro étrabalhar em direção a  tomografia de estado qua¢ntico completo de campos pra³ximos fota´nicos , como medir a compressão da luz no chip sem a necessidade de acoplar a luz. Outra direção que estamos olhando éa criação de luz qua¢ntica usando elanãtrons de forma coerente, seguindo a visão que apresentamos em nosso recente artigo tea³rico que sugeriu essa direção. "

 

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