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Um grupo de três investigadores ganhou o Prémio Nobel da Física de 2023 pelo trabalho que revolucionou a forma como os cientistas estudam o eletrão – iluminando moléculas com flashes de luz de attossegundos. Mas quanto tempo dura um attossegundo, e o que esses pulsos infinitamente curtos podem dizer aos pesquisadores sobre a natureza da matéria?
Conheci essa área de pesquisa pela primeira vez quando era estudante de pós-graduação em físico-química. O grupo do meu orientador de doutorado tinha um projeto dedicado ao estudo de reações químicas com pulsos de attossegundos. Antes de entender por que a pesquisa em attossegundos resultou no prêmio de maior prestígio nas ciências, é útil entender o que é um pulso de luz em attossegundos.
Quanto tempo dura um attossegundo?
“Atto” é o prefixo da notação científica que representa 10-18que é um ponto decimal seguido por 17 zeros e um 1. Portanto, um flash de luz que dura um attosegundo, ou 0,00000000000000001 de segundo, é um pulso de luz extremamente curto.
Na verdade, existem aproximadamente tantos attossegundos em um segundo quantos segundos na idade do universo.
©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciências, CC BY-NC-ND
Anteriormente, os cientistas podiam estudar o movimento de núcleos atômicos mais pesados e mais lentos com femtossegundo (10-15) pulsos de luz. Mil attosegundos estão em 1 femtossegundo. Mas os investigadores não conseguiram ver o movimento na escala electrónica até conseguirem gerar impulsos de luz de attossegundos – os electrões movem-se demasiado rápido para que os cientistas consigam analisar exactamente o que estão a fazer ao nível do femtossegundo.
Pulsos de attosegundo
O rearranjo de elétrons em átomos e moléculas orienta muitos processos na física e está subjacente a praticamente todas as partes da química. Portanto, os pesquisadores se esforçaram muito para descobrir como os elétrons se movem e se reorganizam.
No entanto, os elétrons se movem muito rapidamente em processos físicos e químicos, tornando-os difíceis de estudar. Para investigar esses processos, os cientistas usam a espectroscopia, um método que examina como a matéria absorve ou emite luz. Para seguir os elétrons em tempo real, os pesquisadores precisam de um pulso de luz que seja mais curto do que o tempo que os elétrons levam para se reorganizarem.
Como analogia, imagine uma câmera que só pudesse fazer exposições mais longas, em torno de 1 segundo. Coisas em movimento, como uma pessoa correndo em direção à câmera ou um pássaro voando pelo céu, apareceriam desfocadas nas fotos tiradas e seria difícil ver exatamente o que estava acontecendo.
Então, imagine que você usa uma câmera com exposição de 1 milissegundo. Agora, os movimentos que antes estavam borrados seriam perfeitamente resolvidos em instantâneos claros e precisos. É assim que o uso da escala de attossegundos, em vez da escala de femtossegundos, pode iluminar o comportamento dos elétrons.
Pesquisa de attosegundo
Então, que tipo de questões de pesquisa os pulsos de attossegundos podem ajudar a responder?
Por um lado, quebrar uma ligação química é um processo fundamental na natureza, onde os elétrons compartilhados entre dois átomos se separam em átomos não ligados. Os elétrons anteriormente compartilhados passam por mudanças ultrarrápidas durante esse processo, e pulsos de attossegundos possibilitaram aos pesquisadores acompanhar a quebra de uma ligação química em tempo real.
A capacidade de gerar pulsos de attossegundos – pesquisa pela qual três pesquisadores ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2023 – tornou-se possível pela primeira vez no início dos anos 2000, e o campo continuou a crescer rapidamente desde então. Ao fornecer instantâneos mais curtos de átomos e moléculas, a espectroscopia de attossegundos ajudou os pesquisadores a entender o comportamento dos elétrons em moléculas individuais, como a forma como a carga do elétron migra e como as ligações químicas entre os átomos se quebram.
Em uma escala maior, a tecnologia attosecond também tem sido aplicada para estudar como os elétrons se comportam na água líquida, bem como a transferência de elétrons em semicondutores de estado sólido. À medida que os investigadores continuam a melhorar a sua capacidade de produzir pulsos de luz de attossegundos, eles ganharão uma compreensão mais profunda das partículas básicas que constituem a matéria.
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