Nobel de Física premia pulsos ultracurtos de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/10/2023

Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier dividiram o Nobel de Física deste ano.
[Imagem: Niklas Elmehed/Nobel Prize]

Luz para estudar elétrons

O Prêmio Nobel de Física de 2023 foi dividido igualmente entre três pesquisadores pelo desenvolvimento de "métodos experimentais que geram pulsos de luz de attossegundos para o estudo da dinâmica eletrônica na matéria".

Os premiados são Pierre Agostini (Universidade Estadual de Ohio, EUA), Ferenc Krausz (Instituto Max Planck de Óptica Quântica, Alemanha) e Anne L'Huillier (Universidade de Lund, Suécia).

Um attossegundo equivale a 10^-18 segundo, ou seja, um bilionésimo de bilionésimo de segundo - para entender a magnitude, basta considerar que um attossegundo está para um segundo assim como um segundo está para toda a idade do Universo.

Pulsos de luz assim tão curtos são necessários para "fotografar" e medir os processos ultrarrápidos, por exemplo, quando os elétrons se movem ou mudam de energia, liberando fótons. Assim, a possibilidade de gerar esses pulsos, que alguns físicos gostam de chamar de "gotas de luz", criou um novo conjunto de ferramentas para explorar o mundo dos elétrons dentro dos átomos e moléculas.

Eventos em movimento rápido, se postos em sequência, parecem fluir uns para os outros quando olhamos para eles - este é o princípio dos filmes, que consistem em imagens estáticas mostradas em sequência rápida para que nossos olhos as percebam como um movimento contínuo. Para estudar eventos realmente breves, precisamos de filmes com muitos mais quadros por segundo. No mundo dos elétrons, por exemplo, as mudanças ocorrem em alguns décimos de attosegundo. E esses brilhos ultrarrápidos "fotografam" os elétrons em cada passo de seu movimento, permitindo compor autênticos filmes das partículas em movimento e em interação recíproca.

A descoberta envolveu a emissão de pulsos de luz durando apenas alguns attossegundos.
[Imagem: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences]

Chegando aos attossegundos

Em 1987, a professora Anne L'Huillier descobriu que muitos sobretons diferentes de luz, também conhecidos como harmônicos, surgiam quando ela transmitia luz laser infravermelha através de um gás nobre. Cada harmônico é uma onda de luz com um determinado número de ciclos para cada ciclo da luz laser. Causados pela interação do laser com os átomos do gás, eles dão energia extra a alguns elétrons; quando esses elétrons retornam ao seu estado fundamental, essa energia extra é liberada na forma de um fóton, ou seja, outro pulso de luz.

L'Huillier continuou a explorar este fenômeno, preparando o terreno para os avanços subsequentes. Em 2019, por exemplo, ela usou suas técnicas para ajudar a desvendar o mistério do efeito fotoelétrico, o mesmo que rendeu o Nobel de Física a Einstein.

Em 2001, Pierre Agostini conseguiu produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, que os físicos chamam de "trem de pulsos", no qual cada pulso durava apenas 250 attossegundos. Ao mesmo tempo, Ferenc Krausz, trabalhando com outro tipo de experimento, conseguiu isolar um único pulso de luz com duração de 650 attossegundos.

A técnica e o aparato experimental típico para utilizá-la.
[Imagem: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences]

Muitos usos dos pulsos ultracurtos de luz

"Podemos agora abrir a porta para o mundo dos elétrons. A física do attosegundo nos dá a oportunidade de compreender os mecanismos que são governados pelos elétrons. O próximo passo será utilizá-los," afirmou Eva Olsson, presidente do Comitê do Nobel de Física.

Na verdade, estas técnicas já estão sendo largamente utilizadas, não apenas para estudar os fundamentos da matéria, mas também em aplicações que vão dos LEDs, pontos quânticos e células solares aos fundamentos básicos da fotossíntese, todos processos tão rápidos que antes eram impossíveis de acompanhar.

E existem aplicações potenciais em muitas áreas diferentes. Na eletrônica, por exemplo, é importante compreender e controlar como os elétrons se comportam em um semicondutor, incluindo os materiais bidimensionais, ou 2D, como o grafeno. Os pulsos de attosegundo também podem ser usados para identificar diferentes moléculas, o que é muito útil em diagnósticos médicos.

E as pesquisas continuam. Por exemplo, no campo das medições do tempo já estamos na casa dos zeptossegundos - 1 zeptossegundo equivale a 10^-21 segundo.

• Nova técnica mede tempo em bilionésimos de bilionésimo de segundo

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