Função de onda do elétron é fotografada em 3D pela primeira vez

Com informações da Universidade de Gottingen - 11/08/2026

Espectroscopia fotoeletrônica de última geração (lado esquerdo) foi usada com uma fonte de luz de raios X suaves, que fornece pulsos de luz ultracurtos. Combinada com algoritmos adequados, isto permitiu obter imagens da função de onda dos orbitais eletrônicos (lado direito).
[Imagem: Lukas Kroll]

Função de onda tridimensional

Um dos resultados mais famosos e intrigantes da mecânica quântica foi a descoberta de que as partículas fundamentais, como os elétrons, não podem ser localizadas em um único ponto. Em vez disso, uma partícula é descrita por sua função de onda, que descreve distribuições de probabilidade - uma espécie de mapa matemático que mostra as possibilidades de valores das propriedades fundamentais, como a posição e o momento da partícula.

Especificamente as funções de onda dos elétrons dentro de uma molécula, conhecidas como "orbitais moleculares", carregam informações sobre como a molécula interage com o ambiente ao seu redor. Por exemplo, esses orbitais mostram como a molécula absorve luz ou como ela irá interagir em uma reação química.

Consequentemente, "ver" a função de onda tridimensional completa é altamente desejável, mas até agora ninguém havia conseguido "fotografar" essa matemática que virou realidade - na verdade, só recentemente os físicos conseguiram demonstrar experimentalmente a função de onda do elétron.

Agora, Wiebke Bennecke e colegas da Universidade de Gottingen, na Alemanha, conseguiram pela primeira vez obter imagens tridimensionais da função de onda de uma molécula orgânica de tamanho nanométrico. Eles superaram as limitações combinando espectroscopia fotoeletrônica de última geração com poderosos algoritmos matemáticos.

"Esta técnica pode significar que a videografia estroboscópica se tornará realidade, permitindo-nos observar não apenas a forma da função de onda, mas também como ela muda com resolução ultrarrápida, até mesmo de femtossegundos, ou um quatrilionésimo de segundo. Isso significa que poderemos aprender como uma molécula se adapta a mudanças ópticas, eletrônicas ou químicas e encontrar novas maneiras de controlar essas interações no nível de alguns átomos," disse a pesquisadora.

Uma das fotografias da função de onda 3D, mostrando o orbital molecular de mais alta energia da PTCDA, uma molécula frequentemente usada na fabricação de corantes vermelhos devido à sua forte interação com a luz.
[Imagem: Wiebke Bennecke et al. - 10.1038/s41467-026-74308-1]

Vê a metade, deduz a outra metade

A função de onda é uma grandeza fundamental na mecânica quântica, mas ela não pode ser observada ou medida diretamente.

Em vez disso, a equipe utilizou uma abordagem indireta: A espectroscopia de fotoelétrons, na qual o momento dos elétrons emitidos é medido para permitir o acesso à metade da função de onda, sem alterar fisicamente seu estado. Algoritmos computacionais são então usados para deduzir a outra metade, permitindo visualizar o orbital molecular completo, mostrando detalhes menores do que a distância entre os átomos de carbono que compõem a molécula.

Contudo, aplicar esse princípio em 3D exigia anteriormente medições demoradas em instalações de síncrotron de grande escala, limitando sua aplicação generalizada e, em particular, sua extensão para a visualização de funções de onda "dinâmicas" em um vídeo 3D na escala de um átomo.

"Nós introduzimos dois novos conceitos poderosos. Primeiro, ao redesenhar o algoritmo do computador desde o início, agora é possível obter imagens 3D confiáveis usando muito menos dados experimentais. Segundo, o experimento se baseia em uma poderosa fonte de luz de raios X suaves, instalada em laboratório, que fornece pulsos de luz ultracurtos. É a combinação dessas duas técnicas que tem esse impacto notável," disse o professor Matthijs Jansen.

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