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Os elétrons se movendo em uma molécula podem não parecer o enredo de um filme interessante. Mas um grupo de cientistas receberá o Prêmio Nobel de Física de 2023 por pesquisas que essencialmente seguem o movimento dos elétrons usando pulsos de laser ultrarrápidos, como a captura de quadros em uma câmera de vídeo.
No entanto, os elétrons, que constituem parcialmente os átomos e formam a cola que une os átomos nas moléculas, não se movem na mesma escala de tempo que as pessoas. Eles são muito mais rápidos. Portanto, as ferramentas que físicos como eu usam para capturar seus movimentos precisam ser muito rápidas – na escala de um segundo.
Um attosegundo é um bilionésimo de bilionésimo de segundo (10-18 segundo) – a razão de um attossegundo para um segundo é igual à razão de um segundo para a idade do universo.
Pulsos de attosegundo
Na fotografia, capturar imagens nítidas de objetos rápidos requer uma câmera com obturador rápido ou luz estroboscópica rápida para iluminar o objeto. Ao tirar várias fotos em rápida sucessão, o movimento do objeto pode ser resolvido com clareza.
A escala de tempo do obturador ou do estroboscópio deve corresponder à escala de tempo do movimento do objeto – caso contrário, a imagem ficará desfocada. Esta mesma ideia se aplica quando os pesquisadores tentam obter imagens do movimento ultrarrápido dos elétrons. Capturar movimento em escala de attossegundos requer um estroboscópio de attossegundos. Os ganhadores do Nobel de Física de 2023 fizeram contribuições seminais para a geração desses estroboscópios de laser de attossegundos, que são pulsos muito curtos gerados usando um laser poderoso.
Imagine que os elétrons em um átomo estão restringidos dentro do átomo por uma parede. Quando um femtossegundo (10-15 segundo) o pulso de laser de um laser de femtossegundo de alta potência é direcionado a átomos de um gás nobre como o argônio, o forte campo elétrico no pulso abaixa a parede.
Isto é possível porque o campo elétrico do laser é comparável em intensidade ao campo elétrico do núcleo do átomo. Os elétrons veem essa parede rebaixada e passam por um processo bizarro chamado tunelamento quântico.
Assim que os elétrons saem do átomo, o campo elétrico do laser os captura, acelera-os a altas energias e os joga de volta em seus átomos originais. Este processo de recolisão resulta na criação de rajadas de luz laser de attossegundos.
Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciências, CC BY-NC-ND
Filmes de attosegundo
Então, como os físicos usam esses pulsos ultracurtos para fazer filmes de elétrons na escala de attossegundos?
Os filmes convencionais são feitos uma cena de cada vez, com cada instante capturado como um quadro com câmeras de vídeo. As cenas são então costuradas para formar o filme completo.
Filmes de elétrons em attossegundos usam uma ideia semelhante. Os pulsos de attossegundos atuam como luzes estroboscópicas, iluminando os elétrons para que os pesquisadores possam capturar sua imagem repetidamente enquanto se movem – como uma cena de filme. Esta técnica é chamada espectroscopia bomba-sonda.
No entanto, a imagem do movimento dos elétrons diretamente dentro dos átomos é atualmente um desafio, embora os pesquisadores estejam desenvolvendo várias abordagens usando microscópios avançados para tornar possível a imagem direta.
Normalmente, na espectroscopia de bomba-sonda, um pulso de “bomba” faz o elétron se mover e inicia o filme. Um pulso de “sonda” então ilumina o elétron em momentos diferentes após a chegada do pulso da bomba, para que possa ser capturado pela “câmera”, como um espectrômetro de fotoelétrons.
A informação sobre o movimento dos elétrons, ou “imagem”, é capturada por meio de técnicas sofisticadas. Por exemplo, um espectrômetro de fotoelétrons detecta quantos elétrons foram removidos do átomo pelo pulso da sonda, ou um espectrômetro de fótons mede quanto do pulso da sonda foi absorvido pelo átomo.
As diferentes “cenas” são então costuradas para formar os filmes de elétrons em attossegundos. Esses filmes ajudam a fornecer informações fundamentais, com a ajuda de modelos teóricos sofisticados, sobre o comportamento eletrônico de attossegundos.
Por exemplo, os pesquisadores mediram onde a carga elétrica está localizada nas moléculas orgânicas em momentos diferentes, em escalas de tempo de attossegundos. Isso poderia permitir-lhes controlar correntes elétricas em escala molecular.
Aplicações futuras
Na maioria das pesquisas científicas, a compreensão fundamental de um processo leva ao controle do processo, e esse controle leva a novas tecnologias. A pesquisa orientada pela curiosidade pode levar a aplicações inimagináveis no futuro, e a ciência do attosecond provavelmente não será diferente.
Compreender e controlar o comportamento dos elétrons na escala de attossegundos poderia permitir que os pesquisadores usassem lasers para controlar reações químicas que não conseguiriam por outros meios. Essa capacidade poderia ajudar a projetar novas moléculas que não podem ser criadas com as técnicas químicas existentes.
A capacidade de modificar o comportamento dos elétrons pode levar a mudanças ultrarrápidas. Os pesquisadores poderiam potencialmente converter um isolador elétrico em um condutor em escalas de attossegundos para aumentar a velocidade da eletrônica. A eletrônica atualmente processa informações na escala de picossegundos, ou 10-12 de um segundo.
O comprimento de onda curto dos pulsos de attossegundos, que normalmente está no regime ultravioleta extremo, ou EUV, pode ter aplicações na litografia EUV na indústria de semicondutores. A litografia EUV usa luz laser com comprimento de onda muito curto para gravar pequenos circuitos em chips eletrônicos.
Departamento de Energia, CC BY
No passado recente, lasers de elétrons livres, como a Linac Coherent Light Source no SLAC National Accelerator Laboratory, nos Estados Unidos, surgiram como uma fonte de luz laser de raios X brilhante. Eles agora geram pulsos na escala de attosegundos, abrindo muitas possibilidades para pesquisas usando raios X de attosegundos.
Idéias para gerar pulsos de laser no zeptosegundo (10-21 segunda) escala também foram propostas. Os cientistas poderiam usar esses pulsos, que são ainda mais rápidos que os pulsos de attossegundos, para estudar o movimento de partículas como prótons dentro do núcleo.
Com numerosos grupos de investigação a trabalhar ativamente em problemas interessantes na ciência dos attosegundos, e com o Prémio Nobel da Física de 2023 a reconhecer a sua importância, a ciência dos attosegundos tem um futuro longo e brilhante.
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