Microscópio do tempo promete revelar segredos dos elétrons

Com informações da TuWien - 16/10/2019

Fotografar elétrons dentro dos átomos é importante, mas os físicos querem mais detalhes.
[Imagem: Christian Hackenberger/MPQ/MPG]

Física dos attossegundos

É como um microscópio para o tempo: técnicas baseadas em raios laser pulsados estão permitindo observar intervalos de tempo extremamente curtos.

Com a ajuda desses pulsos de laser ultracurtos, os processos físicos podem ser investigados em uma escala de tempo de attossegundos - ou seja, bilionésimos de bilionésimo de segundo.

Um dos fenômenos mais intrigantes visados por esses microscópios do tempo é como um único átomo é ionizado e como um elétron sai do átomo. O elétron não se comporta simplesmente como uma partícula pontual, com suas propriedades de onda desempenhando um papel importante: o elétron é na verdade uma onda-elétron que oscila em uma escala de tempo extremamente curta - e em uma escala de comprimento igualmente pequena.

É um desafio enorme medir a duração do ciclo dessa oscilação, mas é ainda mais difícil determinar sua fase: qual é exatamente o ritmo que a oscilação eletrônica segue? Se um elétron puder ser ionizado de duas maneiras diferentes, as duas ondas de elétrons oscilarão em perfeita harmonia ou haverá um pequeno atraso de tempo, isto é, uma mudança de fase?

Os primeiros "microscópios temporais" já estão sendo usados em inúmeros experimentos, como na recente descrição do efeito fotoelétrico e no desenvolvimento de relógios quânticos que batem recordes de precisão.

Mas desvendar esses meandros do comportamento do elétron exige mais.

Elétron-onda

O passo adiante para se "enxergar" o que ocorre em tempos ainda menores foi dado por uma equipe da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, e da Universidade da Flórida Central, nos EUA.

Stefan Donsa e seus colegas idealizaram um protocolo que permite medir a fase dos elétrons-onda - ou ondas-elétrons, como queira. Incorporar esse protocolo em experimentos práticos promete trazer uma visão nova e aprimorada de fenômenos importantes tanto para a compreensão básica do funcionamento da matéria, como para a exploração tecnológica, como em fotossensores e células fotovoltaicas.

São os pulsos de luz mais rápidos do mundo: 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.
[Imagem: Thomas Gaumnitz et al. - 10.1364/OE.25.027506]

"Qualquer onda consiste em cristas e vales - e a fase da onda nos diz em que pontos do espaço e do tempo eles estão localizados," explicou Donsa. "Se duas ondas quânticas se sobrepuserem de tal maneira que cada pico de uma onda encontre o pico da outra onda, elas se somam. Mas se você mudar uma das ondas um pouco para que a crista de uma onda seja sobreposta ao vale da outra onda, elas também podem se cancelar mutuamente."

É semelhante a encontrar o ritmo certo na música: não é suficiente que dois músicos toquem no mesmo ritmo. Suas batidas também devem coincidir exatamente no tempo, sem qualquer mudança de fase entre as batidas. Para isso, você precisa de um relógio de referência - um maestro ou um metrônomo, por exemplo. O recém-desenvolvido protocolo de medição quântica usa algo semelhante: um processo atômico serve como referência para outro.

O truque do método consiste em adicionar um segundo efeito quântico como relógio - servindo como um metrônomo quântico, por assim dizer. Em vez de absorver apenas um fóton, o átomo também pode absorver dois fótons ao mesmo tempo, sob certas condições. Essa dupla absorção leva ao mesmo resultado final - um elétron sendo expulso com energia muito específica. Mas, desta vez, esse elétron tem uma fase diferente, e essa diferença pode ser medida.

Protocolos de medição complicados

Na física dos attossegundos, não é possível simplesmente criar um filme de um sistema físico quântico com uma câmera. Em vez disso, protocolos experimentais complicados precisam ser usados. Atualmente, vários protocolos estão em uso, mas nenhum deles até o momento permitiu a medição direta da fase do elétron.

"Nosso novo protocolo de medição nos permite traduzir as informações sobre a fase eletrônica em sua distribuição espacial, combinando pulsos de laser muito especiais," explicou Donsa. "Usando o tipo correto de pulsos de laser, as informações de fase podem ser obtidas diretamente da distribuição angular dos elétrons".

Agora será necessário testar os limites desse método, a fim de ver quais informações da mecânica quântica podem ser obtidas na prática usando o novo protocolo.

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