Os cientistas demonstraram a mistura de quatro ondas de raios X para rastrear o movimento correlacionado dos elétrons, revelando como a energia e a informação se movem dentro dos átomos e moléculas.
(Notícias Nanowerk) Cientistas do laser de elétrons livres de raios X SwissFEL alcançaram um objetivo experimental há muito perseguido na física: mostrar como os elétrons dançam juntos. A técnica, conhecida como mistura de quatro ondas de raios X, abre uma nova maneira de ver como a energia e a informação fluem dentro dos átomos e moléculas. No futuro, poderá esclarecer como as informações quânticas são armazenadas e perdidas, eventualmente auxiliando no projeto de dispositivos quânticos mais tolerantes a erros. As descobertas são relatadas em Natureza (“Interação coerente não linear de quatro fótons de raios X com elétrons núcleo-camada”).
Grande parte do comportamento da matéria não surge da ação dos elétrons sozinhos, mas da maneira como eles influenciam uns aos outros. Dos sistemas químicos aos materiais avançados, as suas interações moldam a forma como as moléculas se reorganizam, como os materiais conduzem ou isolam e como a energia flui.
Em muitas tecnologias quânticas – nomeadamente na computação quântica – a informação é armazenada em padrões delicados destas interações, conhecidos como coerências. Quando essas coerências são perdidas, a informação desaparece – um processo conhecido como decoerência. Aprender como compreender e, em última análise, controlar esses estados fugazes é um dos principais desafios que as tecnologias quânticas enfrentam atualmente.
Até agora, embora muitas técnicas nos permitam estudar como os elétrons individuais se comportam, temos estado cegos para essas coerências. Cientistas da SwissFEL do Instituto Paul Scherrer PSI e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne (EPFL), em colaboração com o Instituto Max Planck de Física Nuclear na Alemanha e a Universidade de Berna, desenvolveram agora uma maneira de acessá-los usando uma técnica conhecida como mistura de quatro ondas de raios-X.
“Aprendemos como os eletrões dançam uns com os outros – quer estejam de mãos dadas ou sozinhos”, diz Gregor Knopp, cientista sénior do Centro de Ciências de Fótons do Instituto Paul Scherrer PSI, que liderou o estudo. “Isso nos dá uma nova visão sobre os fenômenos quânticos e pode mudar a forma como entendemos a matéria.”
Como RMN, mas com raios X
Conceitualmente, a mistura de quatro ondas de raios X é semelhante à ressonância magnética nuclear (RMN), que hoje é usada diariamente em hospitais para exames de ressonância magnética. Ambas as técnicas usam múltiplos pulsos para criar e ler coerências na matéria.
O processo de mistura de quatro ondas também já está bem estabelecido usando luz infravermelha e visível, onde permite aos cientistas investigar como as moléculas se movem, vibram e interagem umas com as outras – com aplicações que vão desde comunicações ópticas até imagens de amostras biológicas.
Os raios X trazem esse mesmo tipo de abordagem poderosa para uma escala menor e nos permitem entrar no mundo dos elétrons. “Enquanto outras abordagens nos dizem como os átomos ou moléculas como um todo interagem entre si ou com o ambiente que os rodeia, com os raios X podemos ampliar diretamente os eletrões”, diz Ana Sofia Morillo Candas, primeira autora do artigo.
Esta capacidade de ampliar as interações entre os eletrões tem o potencial de fornecer conhecimentos completamente novos, não apenas sobre a informação quântica, mas também sobre muitas outras áreas – por exemplo, moléculas biológicas ou materiais para células solares e baterias.
O experimento impossível
Transformar este tipo de experiência de raios X em realidade, no entanto, permaneceu quase impossível de conseguir até agora – mesmo décadas depois de ter sido inicialmente imaginado.
Na mistura de quatro ondas, três ondas de luz que chegam interagem com a matéria para produzir uma quarta onda. “Em geral, para fazer uma mixagem de quatro ondas, é necessário dividir, atrasar e recombinar diferentes feixes de luz”, explica Morillo Candas. “Isso é difícil com os raios X porque o comprimento de onda é muito curto – é preciso ser incrivelmente exato.” Simplificando, o desafio de manipular três feixes de raios X é como tentar lançar três dardos a um quilômetro de distância e fazê-los cair no alvo a nanômetros um do outro.
Essa precisão por si só não é suficiente: o sinal de mistura de quatro ondas de raios X gerado também é extremamente fraco. Para ver isso, o experimento precisa de rajadas extremamente brilhantes e ultracurtas de luz de raios X – algo que apenas grandes instalações de laser de elétrons livres de raios X, como o SwissFEL, podem oferecer. “Os cientistas sonham com esta experiência desde que o SwissFEL foi construído, há dez anos”, diz Knopp.
Uma luz na noite
O sucesso dependeu de um truque emprestado de experimentos com luz laser comum, em vez de raios X: uma placa de alumínio com quatro pequenos orifícios. Os feixes de raios X passam por três orifícios e – se a experiência for bem sucedida – um novo sinal de raios X aparece no quarto.
“É conceitualmente uma solução simples”, diz Knopp, que tem experiência trabalhando com luz laser óptica. “Se você fizer esses experimentos com luz infravermelha ou visível, é assim que você faria.” Essa abordagem é muito diferente das tentativas anteriores feitas de mistura de quatro ondas de raios X, mas para Knopp parecia o método óbvio a ser tentado. “Ficamos surpresos quando vimos o tamanho do sinal”, acrescenta.
Period madrugada quando Morillo Candas, então pós-doutorando no PSI, viu o sinal na sala de controle da estação experimental de Maloja da SwissFEL. Ela lembra: “Brilhava como uma luz na tela. Para qualquer outra pessoa, não pareceria nada. Mas pulamos de alegria”.
De um primeiro sinal a uma tecnologia de imagem convencional
Esta primeira demonstração bem-sucedida da mistura de quatro ondas de raios X foi alcançada em um gás nobre, o néon: um sistema comparativamente bem compreendido, sem interações complicadas de elétrons – o ambiente de teste supreme para detectar o esquivo sinal de mistura de quatro ondas.
Agora que a prova de princípio foi alcançada, os cientistas poderão avançar para sistemas mais complexos. Tanto Morillo Candas quanto Knopp acreditam que a simplicidade de sua solução a torna extraordinariamente robusta e acelerará sua adoção.
Os próximos passos na SwissFEL serão estudar gases mais complexos e, eventualmente, líquidos e sólidos, onde os elétrons dentro das moléculas interagem de maneiras mais ricas.
Mas é provável que este seja apenas o começo da técnica. Eventualmente, poderia ser usado como um método de imagem que revela onde residem as coerências e onde elas se decompõem dentro de um materials ou dispositivo – em outras palavras, onde a informação quântica é armazenada e onde é perdida. Isto poderia dar aos designers pistas sobre como construir qubits mais estáveis e reduzir erros em futuros computadores quânticos – insights que simplesmente não estão disponíveis hoje.
“Se na década de 1960 você tivesse perguntado ‘você pode fazer uma ressonância magnética magnética do meu joelho’, a resposta teria sido ‘o quê?’ Mas a largada foi a mesma – um primeiro sinal”, diz Knopp. “É aqui que estamos agora. Acho que se avançarmos rapidamente, um dia a mistura de quatro ondas de raios X poderá ser uma técnica convencional para gerar imagens de pequenos dispositivos quânticos.”