Uma nova técnica de imagem dá aos cientistas pela primeira vez a posição 3D de átomos individuais dentro de uma rede óptica, superando os métodos anteriores que fornecem apenas imagens 2D. Desenvolvida por uma equipe da Universidade de Bonn, na Alemanha, e da Universidade de Bristol, no Reino Unido, a técnica poderia melhorar a precisão de simuladores quânticos baseados em átomos e ajudar no desenvolvimento de novos materiais quânticos.

“Agora somos capazes de tirar uma única foto dos átomos numa rede óptica e ver exatamente onde eles estão em todas as três dimensões”, explica. Carrie Weidner e Andrea Alberti, que co-liderou o desenvolvimento da técnica. “As técnicas anteriores de detecção óptica limitavam-se a tirar fotos ‘planas’ dos átomos, mas os átomos não vivem num mundo plano.”

Experimentos com átomos em redes ópticas normalmente começam usando luz laser para resfriar os átomos a temperaturas logo acima do zero absoluto. Isso os desacelera quase até a parada e permite que fiquem presos em uma onda estacionária de luz laser – a rede. Uma vez presos, os átomos são expostos a um feixe adicional de luz laser que os torna fluorescentes. Ao visualizar esta fluorescência, os pesquisadores podem determinar a posição dos átomos.

Este processo de imagem é conhecido como microscopia quântica de gases e foi desenvolvido há mais de uma década por físicos da Universidade de Harvard nos EUA e no Instituto Max Planck de Óptica Quântica Na Alemanha. O método padrão, entretanto, fornece apenas as coordenadas xey de cada átomo. Faltavam informações sobre a posição dos átomos na direção z – ou seja, a distância da objetiva dentro do sistema de imagem.

Mudança de fase

O novo método corrige isso pegando a luz emitida pelos átomos fluorescentes e modificando-a antes que ela chegue à câmera. Mais especificamente, o método altera a fase do campo de luz emitido de modo que a imagem do átomo parece girar no espaço em função da sua posição ao longo da linha de visão do sistema de imagem.

“Em vez das típicas manchas redondas normalmente produzidas na microscopia quântica de gases, a frente de onda deformada produz um formato de haltere na câmera que gira em torno de si”, explica Alberti. “A direção para a qual este haltere aponta depende da distância que a luz teve que percorrer do átomo até a câmera.”

O haltere, portanto, atua um pouco como a agulha de uma bússola, permitindo aos pesquisadores ler a coordenada z de acordo com sua orientação, acrescenta. Dieter Meschede, que lidera o laboratório de Bonn onde os experimentos aconteceram.

Uma ideia com uma longa história

Segundo Weidner, a ideia original do estudo surgiu William Moerner e Rafael Piestun nas universidades de Stanford e Colorado, respectivamente. Alberti acrescenta que é “fascinante” que ninguém tenha pensado anteriormente em usar a fase do campo de luz para obter informações sobre a posição z da partícula emissora de luz. Controlar a fase do campo de luz certamente não é novidade, diz ele.

“Na verdade, tem uma longa história: na verdade, para obter imagens nítidas (e não borradas), todos os sistemas de imagem bem projetados são construídos para tornar a fase de todos os raios de luz que atingem a superfície da câmera (ou a retina em nossos olhos) a mesmo – este é o famoso princípio de Fermat”, explica. “Equalizar todas essas diferenças de fase é o que corrige as aberrações ópticas. Isso é essencialmente o que fazemos quando usamos óculos para melhorar nossa visão.”

Um dos maiores desafios da técnica, acrescenta Alberti, foi encontrar um experimentador capaz que pudesse trabalhar em tempo integral para concretizá-la. “Tivemos a sorte de Tangi Legrand, estudante de mestrado, ter decidido aceitar esse desafio”, afirma. “Sem ele, não estaríamos reportando nossos resultados bem-sucedidos hoje.”

Locais precisos com uma única imagem

Ser capaz de determinar com precisão as posições 3D dos átomos com uma única imagem pode ser útil em vários contextos. Poderia facilitar o desencadeamento de interações específicas entre átomos e ajudar os cientistas a desenvolver novos materiais quânticos com características especiais. “Poderíamos investigar os tipos de efeitos da mecânica quântica que ocorrem quando os átomos são organizados em uma determinada ordem”, sugere Weidner. “Isso nos permitiria simular até certo ponto as propriedades dos materiais tridimensionais sem ter que sintetizá-los.”

Nova técnica coloca gases quânticos 3D sob o microscópio

Outra vantagem é que a técnica, detalhada em Revisão Física A, é muito geral. “Nosso método pode ser aplicado a muitos sistemas, incluindo moléculas, íons e qualquer emissor quântico”, diz Weidner. “Esperamos ver este método aplicado em esforços de simulação quântica 3D em todo o mundo.”

A longo prazo, os investigadores dizem que o seu “sonho” é reconstruir as posições 3D de grandes matrizes contendo vários milhares de átomos. Essas grandes matrizes exigem um grande campo de visão, o que acarreta aberrações ópticas, explicam. “Esperamos que métodos de reconstrução melhorados sejam capazes de lidar com estas aberrações e, portanto, alargar o campo de visão sobre o qual a nossa técnica pode ser aplicada”, afirmam. “Eles também podem ajudar a encontrar as posições 3D dos átomos localizados uns acima dos outros em redes mais densamente preenchidas.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/