O fluxo de elétrons alimenta nossas vidas modernas.
Desde conveniências domésticas, como a indispensável fritadeira de ar, até telas de vários tamanhos com as quais contamos para trabalho e lazer para navegar em memes, a tecnologia moderna funciona por meio do fluxo direcionado de elétrons.
No entanto, os elétrons seguem as estranhas regras do universo quântico, exibindo comportamentos estranhos invisíveis no mundo macroscópico, como a superposição que lhes permite existir em muitos estados até serem observados, à la Schrödinger teoricamente gato morto-vivo.
Às vezes, porém, suas atividades estranhas exibem análogos do mundo real que nos ajudam, a nós, físicos não quânticos, a envolver uma fração de nossas mentes em torno de processos invisíveis.
Num estudo inovador, físicos da Universidade de Michigan (UM) nova física iluminada desenvolvendo um dispositivo farol de elétrons que emite um feixe de elétrons que pode ser controlado usando diferentes ‘cores’ de luz sem a necessidade de qualquer fonte de energia elétrica.
“Não é assim que as coisas funcionam normalmente. Quando você pensa nos elétrons se movendo através de um material, eles estão se movendo porque você aplicou um campo elétrico e eles realmente saltam e flutuam pelos materiais,” explica Steven Cundiff, físico experimental da UM, bem como autor sênior do estudo.
“Aqui, usando luz, você pode realmente esguichar os elétrons em uma direção específica sem aplicar um campo elétrico.”
Com o apoio da Fundação Nacional de Ciência dos EUA, os investigadores construíram um dispositivo que utiliza dois feixes de laser de “cores” diferentes (na região infravermelha invisível do espectro eletromagnético) para controlar o fluxo de eletrões através de um semicondutor.
“Provavelmente o mais surpreendente é que as correntes produzidas por este processo são até detectáveis usando o dispositivo que fabricamos”, disse Cundiff ao ScienceAlert.
“A corrente gerada é uma corrente ‘balística’, o que significa que os elétrons viajam ao longo de uma trajetória determinada por sua velocidade inicial de ‘lançamento’. Normalmente, as correntes elétricas não são balísticas, mas sim difusivas porque os elétrons estão constantemente espalhando impurezas e defeitos no material.”
Os pesquisadores construíram seu dispositivo no Lurie Nanofabrication Facility (LNF) da UM, testando diferentes métodos para estabelecer uma configuração experimental que não introduzisse campos elétricos externos que pudessem distorcer seus resultados.
“Esse foi o maior quebra-cabeça para resolver para mim, porque não existe uma maneira padrão de fazer isso”, diz Yiming Gong, cientista de aprendizado de máquina agora na Grainger e primeiro autor do estudo.
“Então trabalhei com a equipe da LNF para testar diferentes receitas e temperaturas para chegar a um processo de fabricação.”
Trabalhos teóricos e experimentais anteriores mostrou que a luz sozinha pode fornecer a energia necessária para fazer os elétrons fluirem.
“Na verdade, este projeto é bastante interessante, porque comecei a trabalhar nele (seu antecessor) há muitos anos como uma forma de fazer um detector sensível a fase para uso na estabilização de pentes de frequência”, disse Cundiff ao ScienceAlert.
Esses pentes de frequência são ferramentas centrais para permitir o controle preciso das ondas eletromagnéticas, criando relógios, computadores e sistemas de comunicação mais precisos.
frameborder=”0″ permitir=”acelerômetro; reprodução automática; gravação na área de transferência; mídia criptografada; giroscópio; imagem em imagem; web-share” referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin” permitir tela cheia>
Esta pesquisa baseia-se em trabalhos anteriores, demonstrando que a luz pode ser usada para atrair elétrons a fluir em uma configuração semelhante a um feixe, que os autores comparam a um farol.
“A luz não apenas liga a corrente; ela também a direciona”, Cundiff explica.
No entanto, direccionar este feixe de electrões é mais complicado do que simplesmente girar uma lâmpada. Em vez disso, os pesquisadores giram seu feixe de elétrons girando a polarização – ou a direção das oscilações – da luz.
Este trabalho também representa o fruto de uma previsão feita por um colaborador anterior, John Sipe, físico teórico da Universidade de Toronto.
Sipe e colegas previram que esta configuração experimental produziria o efeito observado de ‘farol de elétrons’, gerando um feixe de elétrons direcionais na ausência de uma tensão aplicada.
O mecanismo subjacente é conhecido como interferência quânticaum “marca“processo quântico.
Ao contrário das partículas clássicas com caminhos claramente definidos, no reino subatômico totalmente contra-intuitivo, onde as partículas agem como ondas indistintas, a interferência quântica descreve como as funções de onda dessas partículas podem se alinhar de forma construtiva ou destrutiva.
No futuro, esta pesquisa poderá ajudar a elucidar a geometria quântica dos materiais que ditam seus comportamentos fundamentais. Como resultado, pode ajudar a melhorar múltiplas tecnologias, incluindo as técnicas de detecção quântica que visam descrever quantidades físicas com precisão cada vez maior.
Relacionado: O primeiro material quântico desse tipo à temperatura ambiente é fiado a partir de átomos de ouro
Os avanços na interferência quântica também poderiam melhorar a imagem e as telecomunicações, melhorando a forma como os sinais são transmitidos entre dispositivos e aumentando a quantidade de dados que transportam.
Da mesma forma, a interferência quântica pode levar a acelerações significativas na computação amplificando a probabilidade de receber soluções de computação desejadas e suprimindo a probabilidade de receber soluções indesejadas.
O futuro é quântico, e este farol pode guiar-nos na navegação no mar ainda obscuro e invisível de partículas e campos subatómicos que governam o mundo tangível.
Esta pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.
Este artigo foi verificado por Rebecca Dyer e editado por Peter Dockrill. Embora nos orgulhemos de nosso processo, somos apenas humanos. Se você encontrar um erro, por favor nos avise.
