Nascimento de elétrons revela surpresas

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2012

Pela ionização do átomo (azul) em um campo de laser (vermelho) são produzidos elétrons (verdes), que podem nascer individualmente ou em pares, em uma escala de duração que só muito abstratamente pode ser chamada de "tempo". [Imagem: TU Wien]

Nascimento de um elétron

Quando se afirma que um pulso de luz arranca um elétron de um átomo, é fácil imaginar algo como um jogo de bolas de bilhar envolvendo fótons e elétrons.

Nada mais distante da realidade, demonstraram agora pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria.

Mas talvez não precisasse ser tão distante assim da realidade com a qual estamos tão acostumados.

Para começar, esta é a primeira vez que os cientistas conseguem assistir ao "nascimento" de um elétron, um processo que era rápido demais para as tecnologias disponíveis até então.

Mas o que mais impressionou é que não é possível definir o momento exato do nascimento do elétron - simplesmente porque ele não nasce em um momento apenas.

Nascimento multitemporal

Quando a intensa luz do laser atinge o átomo, um elétron individual deixa o átomo em diferentes pontos no tempo.

São diferentes processos que se combinam, de forma muito parecida com as ondas na superfície da água, até formar um complexo padrão de ondas que, no final, e apenas no final, corresponderá ao elétron que "nasceu" - mas isso só pode ser definido com precisão em um momento quando o elétron já está fora do átomo.

"O elétron não é removido do átomo em um ponto no tempo durante a interação com o pulso de laser. Há uma superposição de vários processos, como frequentemente acontece na mecânica quântica," confirma o professor Markus Kitzler.

O processo inteiro leva 10 attossegundos - 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.

• Batido recorde mundial do menor tempo já medido

O experimento dá informações valiosas sobre os elétrons no átomo, algo que não estava acessível até hoje, sobretudo na evolução da fase quântica do elétron, a batida que dá o ritmo para a oscilação das ondas quânticas.

Em termos mais práticos, é esse nascimento multitemporal que define todos os processos de ionização.

E é difícil imaginar qualquer processo natural ou qualquer tecnologia na qual a ionização não esteja envolvida - você certamente já ouviu falar da camada de ozônio, das baterias de íons de lítio e da energia nuclear, certo?

Visualização computadorizada da dupla ionização não-sequencial, gerada a partir dos dados experimentais. No centro está a soma de todas as medições individuais, vistas ao redor, mostrando como as velocidades dos dois elétrons mudam com a evolução do campo elétrico do pulso ionizante. [Imagem: Christian Hackenberger, Max-Planck-Institute for Quantum Optics]

Dupla ionização

E a ionização ocorre mais cedo do que os cientistas pensavam.

Isso foi demonstrado em outro experimento intimamente relacionado, também naquilo que os cientistas estão chamando de "nascimento de um elétron", mas este realizado na Universidade do Estado do Kansas, nos Estados Unidos.

Usando as mesmas interações entre luz e matéria, também em um quadro temporal de attossegundos, os cientistas conseguiram arrancar não um, mas dois elétrons ao mesmo tempo.

Ou seja, eles assistiram ao nascimento de elétrons gêmeos.

O processo é raro - só nasce um par de elétrons gêmeos a cada 1.000 elétrons nascidos vivos.

Essa maternidade quântica também revela suas surpresas, porque os elétrons podem nascer em sequência, como seria de se esperar, mas também podem nascer simultaneamente.

Boris Bergues e seus colegas estavam interessados justamente nos elétrons gêmeos, frutos da chamada dupla ionização não sequencial.

Nesse nascimento de gêmeos univitelinos simultâneos - eles nascem do mesmo átomo, ao mesmo tempo - o laser começa a remover um elétron, que ganha energia suficiente para arrancar um segundo elétron.

Contudo, confirmando que as coisas no mundo quântico podem não se suceder em uma escala temporal linear, o segundo elétron é arrancado muito antes que o primeiro possa adquirir uma energia suficiente para explicar sua própria capacidade de arrancar o segundo elétron.

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Bibliografia:
Attosecond Probe of Valence-Electron Wave Packets by Subcycle Sculpted Laser Fields
Xinhua Xie, Stefan Roither, Daniil Kartashov, Emil Persson, Diego G. Arbó, Li Zhang, Stefanie Gräfe, Markus S. Schöffler, Joachim Burgdörfer, Andrius Baltuška, Markus Kitzler
Physical Review Letters
Vol.: 108, 193004
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.193004
Attosecond tracing of correlated electron-emission in non-sequential double ionization
Boris Bergues, Matthias Kübel, Nora G. Johnson, Bettina Fischer, Nicolas Camus, Kelsie J. Betsch, Oliver Herrwerth, Arne Senftleben, A. Max Sayler, Tim Rathje, Thomas Pfeifer, Itzik Ben-Itzhak, Robert R. Jones, Gerhard G. Paulus, Ferenc Krausz, Robert Moshammer, Joachim Ullrich, Matthias F. Kling
Nature Communications
Vol.: 3: 813
DOI: 10.1038/ncomms1807