Como misturar a luz de um laser com raios X

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/08/2022

Os feixes de luz emitidos por duas lanternas não serão influenciados um pelo outro quando se cruzarem, mas as coisas são diferentes para pulsos de laser muito intensos que se encontram em um meio adequado.
[Imagem: Anne Riemann/Forschungsverbund Berlin]

Materiais não-lineares

Ao contrário dos fictícios sabres de luz, os feixes de laser reais não interagem uns com os outros quando se cruzam - a menos que os dois feixes de luz se encontrem dentro de um material adequado, permitindo uma interação não linear entre luz e matéria.

Nesse caso, a mistura de ondas pode dar origem a feixes com cores e direções diferentes dos originais.

Este é o cerne de uma área de pesquisas conhecida como óptica não-linear, que lida com materiais, principalmente alguns cristais, que permitem que dois feixes de laser possam "sentir a presença um do outro".

Esses cristais também são conhecidos como "materiais não-lineares", sendo não-linear um termo que indica que alguma influência específica sobre o material produz uma resposta que não é proporcional àquela influência.

Desvendando materiais

No cruzamento dos feixes de luz, que ocorre dentro do cristal, energia e momento podem ser intercambiados, dando origem a feixes de laser adicionais que emergem da zona de interação em diferentes direções e com diferentes frequências - na faixa espectral visível, eles são vistos como cores diferentes.

Além de permitir criar novos tipos de lasers, para diferentes aplicações, a análise dos feixes de luz emergentes nos fenômenos de mistura de ondas fornece informações sobre a natureza do material no qual o processo de mistura de ondas ocorre.

Em outras palavras, essa mistura de ondas permite estudar os materiais, obtendo informações sobre os meandros da estrutura eletrônica de uma amostra e como a luz pode energizar e interagir com o material - tecnicamente, esta é uma forma de espectroscopia.

Finalmente, os cientistas agora conseguiram expandir essa abordagem para além da faixa espectral do visível e do infravermelho.

O laser azul (XUV), o infravermelho (NIR) e os feixes de frequência de soma e diferença, refletidos da interface LiF para o vácuo, são dispersos por uma grade de reflexão. A seguir, o feixe infravermelho é bloqueado por uma folha de alumínio e o feixe azul por um batente, diretamente na frente de uma câmera, que então detecta apenas os feixes de frequência de soma e diferença gerados.
[Imagem: Horst Rottke et al. - 10.1126/sciadv.abn5127]

Espectroscopia de mistura de ondas

Horst Rottke e colegas do Instituto Max Born, na Alemanha, obtiveram uma mistura de ondas envolvendo laser e raios X moles - de acordo com sua energia, os raios X são divididos em moles (100 eV - 10 keV) e duros (acima de 10 keV).

Quando pulsos ultracurtos de raios X moles e de radiação infravermelha foram focados em um único cristal de fluoreto de lítio (LiF), a energia de dois fótons infravermelhos foi trocada com o fóton de raios X, alterando a cor dos raios X, em um processo chamado não-linear de terceira ordem.

Devido à capacidade dos raios X de excitar seletivamente os elétrons da camada interna dos diferentes átomos presentes em um material - átomos de lítio no caso do cristal utilizado -, essa técnica permite aos pesquisadores rastrear elétrons movendo-se em moléculas ou sólidos, bastando para isso estimular o elétron com um pulso de laser ultrarrápido.

Exatamente esses processos - elétrons movendo-se em direção a diferentes átomos após serem excitados pela luz - são etapas cruciais em reações fotoquímicas em aplicações como coleta de luz, por exemplo via energia fotovoltaica, ou geração direta de combustível solar, como na fotossíntese artificial.

"Como nossa abordagem de espectroscopia de mistura de ondas pode ser dimensionada para energias de fótons muito mais altas, em lasers de raios X, muitos átomos diferentes da Tabela Periódica podem ser excitados seletivamente. Dessa forma, esperamos que seja possível rastrear a presença de elétrons transitórios em muitos átomos diferentes de um material mais complexo, dando uma nova visão sobre esses importantes processos", explicou o pesquisador Daniel Schick.

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