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Uma nova técnica desenvolvida por uma equipe do MIT pode mapear toda a estrutura de banda eletrônica de materiais em alta resolução. Esta capacidade é geralmente exclusiva das grandes instalações de síncrotron, mas agora está disponível como uma configuração baseada em laser de mesa no MIT. Essa técnica, que usa pulsos de raios ultravioleta extremos (XUV) para medir a dinâmica de elétrons por meio de espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo (ARPES), é denominada ARPES XUV com resolução temporal.
Ao contrário da configuração baseada em síncrotron, essa configuração baseada em laser fornece ainda um recurso resolvido no tempo para observar os elétrons dentro de um material em uma escala de tempo muito rápida, femtossegunda (quadrilionésimo de segundo). Comparando essa técnica rápida em uma escala de tempo e distância, enquanto a luz pode viajar da Lua para a Terra em aproximadamente um segundo, ela pode viajar apenas até a espessura de uma única folha de papel comum em um femtosegundo.
A equipe do MIT avaliou a resolução de seus instrumentos usando quatro materiais exemplares representando um amplo espectro de materiais quânticos: um semimetal Weyl topológico, um supercondutor de alta temperatura crítica, um semicondutor em camadas e um sistema de onda de densidade de carga.
A técnica é descrita em um artigo publicado na revista Nature Communications , de autoria dos físicos do MIT Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, ex-pós-doutorado Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. 18 e o professor de física do MIT Nuh Gedik.
Um objetivo central da física moderna da matéria condensada é descobrir novas fases da matéria e exercer controle sobre suas propriedades quânticas intrínsecas. Tais comportamentos estão enraizados no modo como a energia dos elétrons muda em função de seu momento dentro de diferentes materiais. Essa relação é conhecida como a estrutura de banda eletrônica dos materiais e pode ser medida usando espectroscopia de fotoemissão . Essa técnica usa luz com alta energia de fótons para afastar os elétrons da superfície do material - um processo conhecido anteriormente como efeito fotoelétrico, pelo qual Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921. A velocidade e a direção dos elétrons que saem podem ser medido de maneira angular resolvida para determinar a relação de energia e momento dentro do material.
A interação coletiva entre os elétrons nesses materiais geralmente vai além das previsões dos livros didáticos. Um método para estudar essas interações não convencionais é promovendo os elétrons para níveis mais altos de energia e observando como eles relaxam de volta ao estado fundamental. Isso é chamado de método "pump-and-probe", que basicamente é o mesmo método que as pessoas usam em suas vidas cotidianas para perceber novos objetos ao seu redor. Por exemplo, qualquer um pode soltar uma pedra na superfície da água e observar como as ondas se deterioram para observar a tensão superficial e a acústica da água. A diferença na configuração do MIT é que os pesquisadores usam pulsos de luz infravermelha para "bombear" os elétrons para o estado excitado e os pulsos de luz XUV para "sondar" os elétrons fotoelétricos após um tempo de atraso.
A espectroscopia de fotoemissão com resolução de tempo e ângulo (trARPES) captura filmes da estrutura de banda eletrônica do sólido com resolução de tempo de femtossegundo. Essa técnica fornece informações valiosas sobre a dinâmica dos elétrons, o que é crucial para entender as propriedades dos materiais. No entanto, tem sido difícil acessar elétrons de alta altitude com resolução de energia estreita por ARPES baseada em laser, restringindo severamente o tipo de fenômeno que pode ser estudado com essa técnica.
A recém-desenvolvida configuração XUV TRARPES no MIT, que tem aproximadamente 3 metros de comprimento, pode gerar uma fonte de luz ultravioleta extrema de femtosegundo em alta resolução de energia. "XUV será rapidamente absorvido pelo ar, por isso abrigamos a ótica no vácuo", diz Sie. "Cada componente da fonte de luz para a câmara de amostra é projetado no computador com uma precisão milimétrica." Essa técnica permite acesso total à estrutura de banda eletrônica de todos os materiais com resolução de energia estreitamente inédita em escalas de tempo de femtosegundos. "Para demonstrar a resolução da nossa configuração, não é suficiente medir a resolução da fonte de luz sozinha", diz Sie. "Precisamos verificar as verdadeiras resoluções das medições reais de fotoemissão usando uma ampla variedade de materiais - os resultados são muito satisfatórios!"
A montagem final da configuração do MIT compreende vários instrumentos emergentes que estão sendo desenvolvidos simultaneamente na indústria: fonte de luz XUV femtosegundo (XUUS) de KMLabs, monocromador XUV (OP-XCT) de McPherson e tempo de voo com resolução de ângulo (ARToF ) analisador de electrões da Scienta Omicron. "Acreditamos que esta técnica tem o potencial de ultrapassar os limites da física da matéria condensada", diz Gedik, "por isso trabalhamos com empresas relevantes para alcançar essa capacidade de ponta."
A configuração do MIT pode medir com precisão a energia dos elétrons com alta velocidade. "A combinação do analisador eletrônico de tempo de vôo e a fonte de luz de femtosegundo XUV nos dá a capacidade de medir a estrutura completa da banda de quase todos os materiais", diz Rohwer, "ao contrário de outras configurações, não temos que inclinar repetidamente o amostra para mapear a estrutura da banda - e isso nos poupa muito tempo! "
Outro avanço significativo é a capacidade de mudar a energia do fóton. "A intensidade da fotoemissão freqüentemente varia significativamente com a energia do fóton usada no experimento. Isso ocorre porque a seção transversal da fotoemissão depende do caráter orbital dos elementos que formam o sólido", diz Lee. "A sintonização de energia de fótons fornecida pela nossa configuração é extremamente útil para melhorar as contagens de fotoemissão de bandas específicas que nos interessam."
O especialista em técnicas de ARPES, Patrick S. Kirchmann, especialista em técnicas de ARPES, diz: "Como praticante, acredito que o trARPES é profundamente útil. Qualquer problema de material quântico, isolante topológico ou supercondutividade se beneficia da compreensão da estrutura da banda. em não-equilíbrio.A idéia básica de trARPES é simples: Ao detectar o ângulo de emissão e energia de elétrons fotoemissionados, podemos registrar a estrutura da banda eletrônica.Feito após excitar a amostra com luz, podemos registrar mudanças na estrutura da banda que fornecem nós com "filmes de elétrons", que são filmados em taxas de quadros de sua escala de tempo femtosegundo natural. "
Comentando as novas descobertas do grupo de pesquisa Gedik no MIT, Kirchmann diz: "O trabalho de Sie e Gedik estabelece um novo padrão alcançando 30 meV [mili-elétron-volt] de largura de banda, mantendo 200 femtossegundos de resolução. Incorporando grades trocáveis em seus Além disso, também será possível alterar esse particionamento do produto de largura de banda de tempo.Essas conquistas permitirão estudos de alta definição de longa duração de materiais quânticos com resolução de energia alta o suficiente para fornecer insights profundos. "
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Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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