Zeptossegundos: Novo recorde mundial de medição do tempo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/10/2020

Representação esquemática da medição de zeptossegundos. O fóton (amarelo, vindo da esquerda) produz ondas de elétrons saindo da nuvem de elétrons (cinza) da molécula de hidrogênio (vermelho: núcleo), que interferem entre si (padrão de interferência: branco-violeta). O padrão de interferência é ligeiramente inclinado para a direita, permitindo o cálculo de quanto tempo o fóton precisa para ir de um átomo a outro.
[Imagem: Institute for Atomic Physics/Uni-Frankfurt]

Menor tempo já medido

Em 1999, o químico egípcio Ahmed Zewail recebeu o Prêmio Nobel por medir a velocidade com que as moléculas mudam de forma.

Ele fundou a femtoquímica usando flashes de laser ultracurtos: A formação e a quebra de ligações químicas ocorrem na escala dos femtossegundos - um femtossegundo é igual a 0,000000000000001 segundo, ou 10^-15 segundo.

Dez anos depois, uma equipe alemã mediu o tempo na escala dos attossegundos - 1 attossegundo equivale a 10^-18 segundo.

Agora, uma década a mais, outra equipe de físicos alemães mediu pela primeira vez um processo na escala dos zeptossegundos - 1 zeptossegundo equivale a 10^-21 segundo -, batendo novamente o recorde de menor tempo já medido.

Sven Grundmann e seus colegas da Universidade Goethe mediram quanto tempo leva para um fóton cruzar uma molécula de hidrogênio: Cerca de 247 zeptossegundos para o comprimento médio da ligação da molécula.

O tempo em nível atômico

A equipe realizou a medição do tempo em uma molécula de hidrogênio (H2) que recebeu um disparo de raios X da fonte de luz síncrotron do acelerador DESY. Eles ajustaram a energia dos raios X de forma que um fóton fosse suficiente para ejetar os dois elétrons da molécula de hidrogênio.

Os elétrons se comportam como partículas e ondas simultaneamente e, portanto, a ejeção do primeiro elétron resultou em ondas de elétrons lançadas primeiro em um, e depois no segundo átomo da molécula de hidrogênio, em rápida sucessão, com as ondas se fundindo.

O fóton se comportou de forma muito semelhante a uma pedra plana lançada sobre um lago, ricocheteando e saltando duas vezes: Quando um vale de onda encontra uma crista de outra onda, as ondas do primeiro e do segundo elétron se cancelam, resultando no que é chamado de padrão de interferência.

A equipe mediu o padrão de interferência do primeiro elétron ejetado simultaneamente com o padrão de interferência, o que permitiu determinar a orientação da molécula de hidrogênio - eles tiraram proveito do fato de que o segundo elétron também saiu da molécula de hidrogênio, de forma que o núcleo de hidrogênio que restou também "saiu voando", o que permitiu sua detecção.

O processo usado para medir o tempo reproduz o famoso experimento da dupla fenda, cujo padrão de interferência comprova que os elétrons podem se comportar como partículas ou como ondas.
[Imagem: 10.1126/science.abb9318]

Luz interagindo com molécula

"Como conhecíamos a orientação espacial da molécula de hidrogênio, nós usamos a interferência das duas ondas de elétrons para calcular com precisão quando o fóton alcançava o primeiro e quando atingia o segundo átomo de hidrogênio," explicou Grundmann. "E isso dura até 247 zeptossegundos, dependendo de quão distantes na molécula os dois átomos estavam da perspectiva da luz."

"Nós observamos pela primeira vez que a camada de elétrons em uma molécula não reage à luz em todos os lugares ao mesmo tempo. O retardo ocorre porque a informação dentro da molécula só se espalha na velocidade da luz," ressaltou o professor Reinhard Dörner.

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