Como fotografar um pulso de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/02/2020

O que exigia um laboratório inteiro, agora é feito com um cristal que mal se consegue ver a olho nu.
[Imagem: Shawn Sederberg et al. - 10.1038/s41467-019-14268-x]

A forma da luz

Os lasers mais modernos conseguem gerar pulsos de luz extremamente curtos, que podem ser usados para uma ampla gama de aplicações, desde a investigação de materiais até o diagnóstico médico e a computação.

Para isso, é importante medir a forma da onda de luz do laser com alta precisão. Foram medições assim precisas que permitiram a recente descoberta de uma nova propriedade da luz, por exemplo.

Lidar com esses lasers de femtossegundos (10^-15 segundo) tipicamente exige um aparato experimental grande e complexo e extremamente delicado.

Agora, contudo, tudo isso poderá ser feito com um minúsculo cristal, com um diâmetro inferior a um milímetro, o que deverá ajudar não apenas a transferir as mais recentes descobertas da fotônica dos laboratórios para as aplicações práticas, como também a esclarecer novos detalhes sobre a interação da luz e da matéria.

Fótons e elétrons

"Para criar uma imagem dessas ondas de luz, elas devem ser criadas para interagir com os elétrons. A reação dos elétrons ao campo elétrico do laser nos fornece informações muito precisas sobre a forma do pulso da luz," explica o professor Joachim Burgdörfer, da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria.

O modo comum de fazer isso consiste em adicionar um pulso de laser muito mais curto, com um comprimento de onda na faixa dos raios X, ao pulso de luz que se deseja medir, ambos disparados através de um gás. O pulso de raios X ioniza átomos individuais no gás, liberando seus elétrons, que são então acelerados pelo campo elétrico do pulso do laser infravermelho. O movimento dos elétrons é gravado e, se o experimento for realizado várias vezes com diferentes intervalos de tempo entre os dois pulsos, a forma do pulso do laser infravermelho poderá ser reconstruída.

"O esforço experimental necessário para este método é muito alto. É necessária uma configuração experimental complicada, com sistemas de vácuo, muitos elementos ópticos e detectores," conta o professor Christoph Lemell, membro da equipe.

A luz torcida é uma das tecnologias que terão muito a ganhar com a miniaturização permitida por esta técnica.
[Imagem: Shawn Sederberg et al. - 10.1038/s41467-019-14268-x]

A luz no cristal

Toda essa complicação foi eliminada passando a medição dos pulsos de luz de uma gás para um sólido. Com isto, não é mais necessário ionizar primeiro os elétrons livres, basta dar aos elétrons energia suficiente para que eles possam se mover ao longo do sólido.

A equipe conseguiu fazer isto usando cristais de óxido de silício com diâmetros de poucos micrômetros.

Os cristais também são atingidos pelos dois pulsos de laser, sendo que o pulso a ser investigado pode ter qualquer comprimento de onda, da luz ultravioleta e cores visíveis até o infravermelho de ondas longas. Enquanto esse pulso de laser penetra no cristal, outro pulso de infravermelho é disparado no alvo. "Esse segundo pulso é tão forte que efeitos não lineares no material podem alterar o estado de energia dos elétrons para que se tornem móveis. Isso acontece em um momento muito específico, que pode ser ajustado e controlado com muita precisão," explicou Burgdörfer.

Assim que os elétrons movem-se pelo cristal, eles são acelerados pelo campo elétrico do primeiro feixe, o que produz uma corrente elétrica que é medida diretamente no cristal. Este sinal contém informações precisas sobre a forma do pulso da luz, permitindo construir seu perfil.

Esta técnica abre muitas aplicações interessantes: Deverá agora ser possível caracterizar com precisão novos materiais, responder perguntas físicas fundamentais sobre a interação da luz e da matéria e até analisar moléculas complexas - por exemplo, para detectar doenças de maneira confiável e rápida, examinando pequenas amostras de sangue.

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