Físicos medem atraso do início da partida de elétrons para fora do átomo

Os elétrons golpeados com pulso de laser em um átomo demoram para ser arremessados para fora da partícula.

taniager

30 Junho 2010 | 18h33

Parada para observar o atraso de partida dos elétrons: o pulso interno de laser de attosegundo, mostrado em azul, golpeia os elétrons de átomos de neon; o tempo relativo de partida de dois elétrons diferentes é medido usando o feixe vermelho. Crédito: cortesia de Thorsten Naeser/Instituto Max Planck de Óptica Quântica.

Parada para observar o atraso de partida dos elétrons: o pulso interno de laser de attosegundo, mostrado em verde, golpeia os elétrons de átomos de neon; o tempo relativo de partida de dois elétrons diferentes é medido usando o feixe vermelho. Crédito: cortesia de Thorsten Naeser/Instituto Max Planck de Óptica Quântica.

Uma equipe internacional de físicos de ótica quântica, do Instituto Max Planck e da Universidade de Munique, Alemanha, e parceiros da Grécia, Áustria e Arábia Saudita, conseguiu medir o tempo que leva para os elétrons,  golpeados com pulso de laser em um átomo, serem arremessados para fora da partícula. O artigo foi publicado hoje pelo Instituto Max Plank.

O resultado do estudo desmente a noção de instantaneidade do fenômeno, isto é, de que os elétrons são atirados no instante em que o pulso de luz colide com o material. Na verdade, os elétrons levam algumas dezenas de attosegundos para ser arremessados após a fotoemissão. Um attosegundo corresponde a um bilionésimo de um bilionésimo de um segundo.

Os modelos atuais, com os quais os físicos quânticos descrevem as propriedades eletrônicas da matéria, baseiam-se no comportamento dos elétrons e, portanto, são imprecisos se vistos pela nova ótica do estudo.


Desde a descoberta da fotoemissão, há mais de cem anos, a questão do  quão rápido um feixe de luz ejeta um elétron de um átomo era respondida pelos físicos na forma mais simplificada: o fenômeno era instantâneo. Esta resposta era dada por conveniência, uma vez que o processo era muito mais curto do que qualquer método mais preciso de medição poderia registrar.  

“Nós descobrimos que há um atraso na fotoemissão, da mesma forma que o melhor velocista não sai voando do ponto inicial, precisamente ao mesmo tempo em que o tiro de partida é disparado”, diz Martin Schultze do Instituto Max Planck.

Embora exista a noção de instantaneidade do fenômeno, os físicos trabalham com modelos em computadores que calculam uma média de atraso. Mas esta estimativa é de um valor de apenas um quinto do atraso medido pela equipe. Por esta razão Schultze argumenta que “os modelos fazem, obviamente, um erro sistemático”.

Os teóricos agora poderão refinar os modelos para obter afirmações mais precisas sobre os outros aspectos do comportamento eletrônico.

Metodologia de medição

Assim que um elétron deixa o átomo, ele sente a oscilação do campo eletromagnético do pulso infravermelho. O elétron é acelerado ou desacelerado suavemente quando ele deixa o átomo, dependendo se ele cai em uma depressão da onda de laser infravermelho ou atinge uma crista. A direção para a qual ele é empurrado depende, por um lado, de como as ondas de luz dos dois pulsos coincidem quando batem no átomo. 

Os pesquisadores podem controlar isso com muita precisão. No entanto, também depende de quanto a partida de um elétron está atrasada, assim como o orbital do qual ele se origina. Variando a posição do pulso curto de ultravioleta dentro do pulso mais longo de infravermelho, os pesquisadores conseguem ter uma ideia de quando os diferentes elétrons são acelerados ou desacelerados. Daí, pode-se perceber como os tempos de partida dos elétrons de diferentes orbitais diferem. No caso dos elétrons enfocados pela equipe de físicos, o resultado foi uma diferença de cerca de 20 attosegundos.