Superando Einstein: Mistério do efeito fotoelétrico é revelado

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/10/2019

Alexander Hartung conta que se tornou pai duas vezes no tempo que levou para construir o aparelho.
[Imagem: Alexander Hartung]

Entendendo a mecânica dos fótons e elétrons

Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel por explicar o efeito fotoelétrico. Em sua forma mais intuitiva, um único átomo é irradiado pela luz; segundo Einstein, a luz consiste em partículas (fótons) que transferem apenas energia quantizada para o elétron do átomo.

Esse processo está na base de quase todas as atuais tecnologias envolvendo a luz, da energia solar aos LEDs. Mas isso não significa que já entendemos todos os meandros do que acontece entre a luz e a matéria.

Por exemplo, se a energia do fóton for suficiente, ele arranca elétrons do átomo; mas o que acontece com o momento do fóton nesse processo?

A questão de qual parceiro da reação (núcleo do átomo ou os elétrons) conserva o momento do fóton tem ocupado os físicos há mais de 30 anos. Por exemplo, quando inúmeros fótons de um pulso de laser bombardeiam um átomo, eles o ionizam. Quebrar o átomo consome parcialmente a energia do fóton. A energia restante é transferida para o elétron liberado. Mas detectar o destino dessa energia era algo que nenhum aparelho conseguia fazer.

Para responder a essa pergunta, físicos desenvolveram e construíram um novo espectrômetro com resolução anteriormente inatingível: ele usa pulsos de laser ultracurtos, com precisão de tempo em uma escala de um attossegundo, o equivalente a 0,000000000000000001 segundo.

Alexander Hartung, da Universidade de Frankfurt, na Alemanha, conta que se tornou pai duas vezes no tempo que levou para construir o aparelho. O dispositivo, com três metros de comprimento e 2,5 metros de altura, contém aproximadamente tantas peças quanto um automóvel. Sua operação consiste em ionizar átomos de argônio individuais - ou quebrar moléculas - e então determinar com precisão o momento das partículas.

Outra esquisitice quântica

"A ideia mais simples é a seguinte: desde que o elétron esteja ligado ao núcleo, o momento é transferido para a partícula mais pesada, ou seja, o núcleo do átomo. Assim que ele se liberta, o momento do fóton é transferido para o elétron," explica o professor Reinhard Dörner, da Universidade Goethe, parceiro no desenvolvimento do aparelho.

Isso seria análogo ao vento transferindo seu impulso para a vela de um barco. Enquanto a vela estiver firmemente presa, o impulso do vento impulsiona o barco para frente. No instante em que o mastro se quebrar, no entanto, o momento do vento é transferido apenas para a vela.

No entanto, a resposta que Hartung descobriu através de seu experimento é - como é típico para a mecânica quântica - mais surpreendente. O elétron não apenas recebe o momento esperado, mas também recebe um adicional equivalente a um terço do momento do fóton, que deveria ter ido para o núcleo do átomo, segundo as teorias. A vela do barco, portanto, "conhece" o acidente iminente antes que o mastro se rompa e roube um pouco do momento do barco.

Para explicar o resultado com mais precisão, Hartung destaca-se da explicação de Einstein da luz como partícula e usa o conceito da luz como uma onda eletromagnética: "Sabemos que os elétrons tunelam através de uma pequena barreira de energia. Ao fazer isso, eles são afastados do núcleo pelo forte campo elétrico do laser, enquanto o campo magnético transfere esse momento adicional para os elétrons."

Esquema do aparelho que permitiu esclarecer o que acontece com o momento do fóton.
[Imagem: Alexander Hartung]

Física e química

Além das implicações óbvias para a fotônica e demais tecnologias ligadas à luz, o novo equipamento eleva a um novo patamar a capacidade de controlar elétrons em átomos e moléculas.

A longo prazo, é concebível que este e outros conhecimentos sobre como os átomos e as moléculas funcionem proporcionem uma oportunidade para melhorar a maneira como as reações são controladas nas moléculas, o que por sua vez pode abrir o caminho para uma química mais eficaz.

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