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Físicos de laser ultrarrápido da equipe attoworld da LMU e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica obtiveram novos insights sobre a dinâmica de elétrons em sólidos imediatamente após a fotoinjeção.
Um pulso de laser atinge um elétron em um sólido. Se receber energia suficiente da onda de luz, pode mover-se livremente através de um sólido. Esse fenômeno, que os cientistas vêm explorando desde o início da mecânica quântica, é chamado de fotoinjeção. Ainda há questões em aberto sobre como os processos relevantes se desenrolam no tempo. Físicos de laser da equipe attoworld do LMU e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica fizeram agora uma observação direta de como as propriedades ópticas do silício e do dióxido de silício evoluem durante os primeiros femtossegundos (milionésimos de bilionésimo de segundo) após a fotoinjeção com um forte pulso de laser.
Essa física da fotoinjeção é relativamente simples quando se trata do efeito fotoelétrico explicado por Albert Einstein. Aqui, um elétron absorve um único fóton que tem energia suficiente para liberar o elétron de um potencial que restringe seu movimento. Fica mais complicado quando nenhum fóton na onda de luz tem energia suficiente para fazê-lo. Nesse caso, os elétrons ligados podem se libertar absorvendo mais de um fóton de uma só vez ou por tunelamento quântico. Estes são processos não lineares que são eficazes apenas quando o campo elétrico é forte, o que significa que apenas a parte central de um pulso de laser pode acioná-los com eficiência.
Com as ferramentas da ciência attosecond, é possível produzir a maioria dos portadores de carga dentro de um único meio ciclo de um pulso de luz, aumentando a condutividade de um sólido por ordens de magnitude em apenas alguns femtossegundos. Os físicos de laser da equipe attoworld do LMU e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica investigaram a rapidez com que os sólidos mudam suas propriedades ópticas após a fotoinjeção ultrarrápida. Para fazer isso, eles enviaram dois pulsos de poucos ciclos através de uma amostra fina: um pulso de bomba intenso que criou portadores de carga e um pulso de teste fraco que interagiu com eles.
Como a fotoinjeção foi confinada a um intervalo de tempo menor que meio ciclo do campo de teste, foi possível observar como os portadores de carga interagiram com o campo de teste durante os primeiros femtossegundos após seu aparecimento. Esta informação foi codificada nas distorções que a fotoinjeção imprimiu no campo elétrico dependente do tempo do pulso de teste. Os cientistas mediram essas distorções usando uma nova técnica de amostragem de campo óptico e repetiram suas medições para muitos atrasos entre os dois pulsos.
A técnica inovadora para medições de sonda de bomba com resolução de campo óptico agora dá à equipe attoworld acesso direto a correntes elétricas movidas a luz durante e após a fotoinjeção. “O resultado mais importante é que agora sabemos como realizar e analisar tais experimentos e que de fato vimos o movimento do elétron impulsionado pela luz como ninguém poderia fazer antes”, diz Vladislav Yakovlev, último autor do estudo. “Ficamos surpresos ao não ver sinais claros de formação de quasipartículas”, explica Yakovlev. “Isso significa que, nessas medições específicas, as medições da física de muitos corpos não tiveram muita influência sobre como a condutividade do meio aumentou após a fotoinjeção, mas podemos ver alguma física mais sofisticada no futuro”.
Todos os eletrônicos modernos são baseados no controle do fluxo de portadores de carga, aumentando e diminuindo rapidamente sua capacidade de se mover pelos circuitos. A pesquisa da equipe attoworld é sobre atingir os limites máximos de velocidade desse controle usando a luz. As novas descobertas podem eventualmente ajudar a alcançar o futuro processamento de sinal na faixa de petahertz, tornando possível a chamada eletrônica de ondas luminosas. Isso aceleraria a eletrônica de hoje em cerca de 100.000 vezes. “Eu diria que apenas arranhamos a superfície do que as medições de resolução de campo com sonda de bomba podem fazer. Equipados com nossa experiência e percepções, outros pesquisadores podem agora usar nossa abordagem para responder às suas perguntas”, Yakovlev está convencido.
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