Pulso de elétrons mais curto já criado dura 53 attossegundos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/01/2023

Ilustração da técnica de arrancar elétrons usando pulsos de luz.
[Imagem: Eleftherios Goulielmakis/University of Rostock]

Attossegundos

Usando flashes de laser ultrarrápidos, cientistas alemães geraram e mediram o pulso de elétrons mais curto já emitido até hoje.

O laser foi usado para remover elétrons de uma minúscula ponta de metal, gerando um pulso de elétrons que durou apenas 53 attossegundos (10^-18 segundo), ou seja, 53 bilionésimos de bilionésimo de segundo.

Além de estabelecer um novo recorde de velocidade no controle artificial de correntes elétricas em materiais sólidos, a pesquisa abre novos caminhos para o avanço do desempenho da eletrônica e das tecnologias da informação, bem como para o desenvolvimento de novas metodologias de microscopia, permitindo visualizar fenômenos ultrarrápidos, como reações químicas.

Embora há muito se saiba que a luz pode arrancar elétrons dos metais - Einstein foi o primeiro a explicar como - o processo é extremamente difícil de manipular: O campo elétrico da luz muda de direção cerca de um milhão de bilhões de vezes por segundo, tornando difícil controlar a maneira como os elétrons são arrancados e arremessados da superfície dos metais.

Mas um desenvolvimento feito pela própria equipe há alguns anos, em que pulsos ultrarrápidos de laser foram usados para bater o recorde de velocidade da corrente elétrica, serviu de base para o progresso alcançado agora.

Os elétrons são arrancados de uma nanoponta de tungstênio em um ambiente de vácuo.
[Imagem: H. Y. Kim et al. - 10.1038/s41586-022-05577-1]

Pulso de luz que produz pulso de elétrons

Um campo elétrico essencialmente faz os elétrons oscilarem dentro de um metal. Para arrancá-los, é então necessário injetar um pulso de energia que dure pelo menos a metade desse ciclo de oscilação.

A luz oscila em uma frequência muito mais alta, então a equipe dosou seus pulsos ultracurtos de laser para acertar os elétrons no momento e na duração corretos.

Mas restava uma dificuldade: Medir a brevidade dessas explosões de elétrons. Para isso, a equipe desenvolveu um novo tipo de câmera que consegue tirar fotos dos elétrons durante o curto período de tempo em que o laser os empurra para fora de uma ponta finíssima de tungstênio, posta em um ambiente de vácuo.

"O truque foi usar um segundo flash de luz muito fraco," disse Hee-Yong Kim, da Universidade de Rostock. "Este segundo flash de laser pode perturbar suavemente a energia da explosão de elétrons para descobrir seu aspecto ao longo do tempo. É como o jogo 'O que tem na caixa?', onde os jogadores tentam identificar um objeto sem olhar para ele, apenas virando-o para sentir sua forma com as mãos."

O pulso de elétrons de 53 attossegundos que a equipe detectou foi ainda mais curto do que o pulso de luz que o gerou. O professor Eleftherios Goulielmakis, coordenador da equipe afirma que o pulso de elétrons durou um quinto do tempo que um elétron em um átomo de hidrogênio leva para orbitar seu núcleo.

• Nova técnica mede tempo em bilionésimos de bilionésimo de segundo

A técnica permitirá entender melhor as propriedades e o comportamento dos materiais.
[Imagem: H. Y. Kim et al. - 10.1038/s41586-022-05577-1]

Eletrônica e microscopia

Mas como essa tecnologia pode ter uso prático?

"À medida que a tecnologia avança rapidamente, é razoável esperar o desenvolvimento de circuitos eletrônicos microscópicos nos quais os elétrons viajam em um espaço de vácuo entre condutores compactados para evitar obstáculos que os retardem," exemplificou Goulielmakis. "Usar a luz para ejetar elétrons e conduzi-los entre esses condutores pode acelerar a eletrônica futura em vários milhares de vezes em relação ao desempenho atual."

Já o uso científico da técnica pode ser bem mais imediato, sobretudo em microscopia.

Um pulso de elétrons tão curto pode permitir que os microscópios eletrônicos foquem em uma fatia mais curta no tempo, de modo semelhante à redução da velocidade do obturador de uma câmera, permitindo revelar o movimento das partículas com mais clareza.

"Como nossas rajadas de elétrons fornecem excelente resolução para tirar fotos de movimentos eletrônicos e atômicos nos materiais, planejamos usá-los para adquirir uma compreensão profunda de materiais complexos para facilitar suas aplicações em tecnologia," disse Goulielmakis.

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