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Ao sobrepor dois campos de laser de diferentes intensidades e frequências, a emissão de elétrons de metais pode ser medida e controlada com precisão em alguns attossegundos. Físicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), da Universidade de Rostock e da Universidade de Konstanz mostraram que esse é o caso. As descobertas podem levar a novos insights da mecânica quântica e permitir circuitos eletrônicos que são um milhão de vezes mais rápidos do que hoje. Os pesquisadores já publicaram suas descobertas na revista Natureza.
A luz é capaz de liberar elétrons de superfícies metálicas. Esta observação já foi feita na primeira metade do século XIX por Alexandre Edmond Becquerel e posteriormente confirmada em vários experimentos, entre outros por Heinrich Hertz e Wilhelm Hallwachs. Como o efeito fotoelétrico não pode ser conciliado com a teoria da onda de luz, Albert Einstein chegou à conclusão de que a luz deve consistir não apenas de ondas, mas também de partículas. Ele lançou as bases para a mecânica quântica.
A forte luz do laser permite que os elétrons criem um túnel
Com o desenvolvimento da tecnologia laser, a pesquisa sobre o efeito fotoelétrico ganhou um novo impulso. “Hoje, podemos produzir pulsos de laser extremamente fortes e ultracurtos em uma ampla variedade de cores espectrais”, explica o Prof. Dr. Peter Hommelhoff, presidente de Física do Laser no Departamento de Física da FAU. “Isso nos inspirou a capturar e controlar a duração e a intensidade da liberação de elétrons de metais com maior precisão”. Até agora, os cientistas só conseguiram determinar a dinâmica eletrônica induzida por laser com precisão em gases – com uma precisão de alguns attossegundos. A dinâmica quântica e as janelas de tempo de emissão ainda não foram medidas em sólidos.
É exatamente isso que os pesquisadores da FAU, da Universidade de Rostock e da Universidade de Konstanz conseguiram fazer pela primeira vez. Eles usaram uma estratégia especial para isso: em vez de apenas um forte pulso de laser, que emite aos elétrons uma ponta pontiaguda de tungstênio, eles também usaram um segundo laser mais fraco com o dobro da frequência. “Em princípio, você deve saber que com luz de laser muito forte, os fótons individuais não são mais responsáveis pela liberação dos elétrons, mas sim pelo campo elétrico do laser”, explica o Dr. Philip Dienstbier, pesquisador associado da Peter Hommelhoff e principal autor do estudo. “Os elétrons então passam pela interface de metal para o vácuo.” Ao sobrepor deliberadamente as duas ondas de luz, os físicos podem controlar a forma e a força do campo do laser – e, portanto, também a emissão dos elétrons.
Circuitos um milhão de vezes mais rápidos
No experimento, os pesquisadores conseguiram determinar a duração do fluxo de elétrons em 30 attossegundos – trinta bilionésimos de bilionésimo de segundo. Essa limitação ultraprecisa da janela de tempo de emissão pode promover pesquisas básicas e relacionadas a aplicações em igual medida. “A mudança de fase dos dois pulsos de laser nos permite obter informações mais profundas sobre o processo do túnel e o movimento subsequente do elétron no campo do laser”, diz Philip Dienstbier. “Isso permite novas percepções da mecânica quântica tanto na emissão do corpo em estado sólido quanto nos campos de luz usados”.
O campo de aplicação mais importante é a eletrônica acionada por campo de luz: com o método de duas cores proposto, a luz do laser pode ser modulada de forma que uma sequência exatamente definida de pulsos de elétrons e, portanto, de sinais elétricos possa ser gerada. Dienstbier: “No futuro previsível, será possível integrar os componentes de nossa configuração de teste – fontes de luz, ponta de metal, detector de elétrons – em um microchip.” Circuitos complexos com larguras de banda até a faixa de petahertz são concebíveis – isso seria quase um milhão de vezes mais rápido que a eletrônica atual.
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