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Cientistas criam canhão de elétrons usando laser e fibra óptica

Descoberta vai facilitar o estudo de superfícies em escala nanométrica

Vinicius Szafran, editado por Daniel Junqueira 

Olhar Digital

Cientistas da Universidade do Nebraska e do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL), do Departamento de Energia dos EUA, desenvolveram uma maneira mais fácil de gerar elétrons para imagens e sensores em nanoescala, criando uma nova ferramenta útil para a pesquisa quântica fundamental, bioimagem e ciência de materiais.

Em seu estudo publicado no New Journal of Physics, os pesquisadores relataram que disparar intensos pulsos de laser através de uma nanoponta de fibra óptica fazia com que essa ponta emitisse elétrons, criando um “canhão de elétrons” que pode ser usado para sondar materiais. Com isso, os cientistas podem examinar superfícies rapidamente e por qualquer ângulo, oferecendo grande vantagem em relação às técnicas menos móveis.

Desde meados da década de 2000, pesquisadores têm usado nanopontas afiadas para emitir elétrons em feixes fortemente focados. Elas fornecem resolução espacial e temporal melhorada em comparação com outras técnicas de microscopia eletrônica de varredura, ajudando a rastrear melhor as interações em andamento em nanoescala. Nessa técnica, os elétrons são emitidos quando os fótons excitam as pontas.

Porém, antes deste estudo, os métodos de emissão de nanopontas dependiam de luz externa. Para gerar elétrons, os cientistas tiveram que alinhar cuidadosamente os feixes de laser no ápice da nanoponta. “Anteriormente, os lasers tinham que rastrear as pontas, o que é tecnologicamente uma coisa muito mais difícil de se fazer”, explicou Herman Batelaan, coautor do estudo e líder da pesquisa de controle de elétrons na Universidade do Nebraska. A tarefa era tão difícil que limitava a rapidez e as posições das imagens.

Mas nesse caso a abordagem foi diferente. Ali Passian, do grupo Quantum Information Science do ORNL, previu que, ao disparar o laser através de uma fibra óptica flexível para iluminar sua nanoponta cônica revestida de metal, poderia criar uma ferramenta mais fácil de usar.

Para testar sua ideia, ele se uniu a Batelaan e o então estudante de graduação Sam Keramati na Universidade do Nebraska. A equipe usou um laser de femtossegundo para disparar pulsos ultracurtos e intensos pela fibra óptica e em uma câmara de vácuo, onde a luz se movia através de uma nanoponta de fibra revestida de ouro.

Analisando os dados, a equipe propôs que o mecanismo não é simples e depende de uma união de fatores, mas funciona. Um desses fatores é a forma da nanoponta e seu revestimento metálico, que geram um campo elétrico que ajuda a empurrar os elétrons. Outro fator é que esse campo elétrico pode ser aumentado por comprimentos de onda específicos da luz laser.

As pontas não sofreram nenhum dano durante o experimento, sugerindo que a emissão aconteceu por causa da luz, e não devido ao calor gerado no processo.

Uma vantagem dessa técnica é a possibilidade de controlar a emissão de elétrons em velocidades maiores que um nanossegundo. Isso permite capturar imagens mais rapidamente. Essas imagens podem então ser montadas como um filme, para rastrear interações complexas em nanoescala.

Menos energia

Satisfeita com os resultados, a equipe decidiu testar se um laser menos potente teria o mesmo efeito. Para compensar essa falta de potência, eles aumentaram a voltagem na nanoponta, criando uma diferença de potencial de energia que acreditavam ajudar a expelir os elétrons. E funcionou.

“Agora, em vez de ter um laser poderoso e extremamente caro, você pode escolher um laser de diodo de US$ 10”, observou Batelaan.

Embora lasers de onda contínua não tenham os recursos de comutação rápida dos lasers de femtossegundos mais poderosos, a comutação lenta tem suas vantagens, principalmente a possibilidade de controlar melhor sua duração e o número de elétrons emitidos.

Com isso, a equipe demonstrou que esse controle extra permitia a liberação de elétrons dentro dos limites necessários para criar as chamadas imagens fantasma. A imagem fantasma de luz demonstrada recentemente aproveita as propriedades quânticas da luz para amostras sensíveis à imagem, como células biológicas vivas, em exposição muito baixa. Ao agrupar várias nanopontas de fibra, a equipe espera obter imagens fantasmas de elétrons em nanoescala.

Via: Phys.org

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