Movimento de elétrons em um átomo é medido em tempo real

Físicos conseguem medir o tempo de oscilação de estados quânticos simultâneos de elétrons de valência com grande precisão.

taniager

04 Agosto 2010 | 20h00

Diagrama clássico de um átomo de criptônio (ao fundo) mostra seus 36 elétrons arranjados em camadas. Os pesquisadores mediram as oscilações de estados quânticos nos orbitais mais externos de um átomo de criptônio ionizado. Crédito: Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley.

Diagrama clássico de um átomo de criptônio (ao fundo) mostra seus 36 elétrons arranjados em camadas. Os pesquisadores mediram as oscilações de estados quânticos nos orbitais mais externos de um átomo de criptônio ionizado. Crédito: Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley.

Uma equipe internacional liderada pelo Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ), Alemanha, conseguiu medir o movimento de elétrons da camada mais externa de um átomo pela primeira vez. A notícia foi divulgada hoje pelo Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA.

O processo utilizado na façanha é conhecido por espectroscopia de absorção de pulsos ultracurtos (ou de attosegundos). Com este processo, os físicos conseguem medir o tempo de oscilação de estados quânticos simultâneos de elétrons de valência com grande precisão. São estas oscilações que orientam o movimento de elétrons.

A experiência revelou que os estados de ionização de átomos de criptônio, durante todo o processo, vão sendo produzidos em intervalos regulares de meio ciclo de pulso de femtosegundo. Isto quer dizer que, em cada meio ciclo de pulso, elétrons da camada mais externa dos átomos vão deixando suas órbitas, aos poucos. 

Pulsos em escala de femtosegundo foram disparados para ionizar átomos de criptônio (feixe largo). Pulsos em escala de attosegundos  criados separadamente (feixe estreito) foram absorvidos pelos átomos de criptônio. A espectroscopia mapeou o tempo preciso da oscilação entre os estados quânticos assim criados. Crédito: cortesia do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley.

Pulsos em escala de femtosegundo foram disparados para ionizar átomos de criptônio (feixe largo). Pulsos em escala de attosegundos criados separadamente (feixe estreito) foram absorvidos pelos átomos de criptônio. A espectroscopia mapeou o tempo preciso da oscilação entre os estados quânticos assim criados. Crédito: cortesia do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley.

“O pulso de femtosegundo produz um campo magnético forte, e a ionização ocorre em cada meio ciclo de pulso. Portanto, pequenas quebras de íons ocorrem a cada meio ciclo”, diz Stephen Leone da divisão de Ciências químicas do Laboratório Berkeley, envolvido no estudo.

“Com um sistema simples de átomos de criptônio, pudemos demonstrar, pela primeira vez, que podemos medir a dinâmica da absorção transitória com pulsos ultracurtos”, explica Leone. “Isso revelou detalhes de um tipo de movimento eletrônico – superposição coerente – que pode controlar propriedades em muitos sistemas”.

A demonstração física da absorção transitória ultracurta pelos esforços combinados dos pesquisadores permite desvendar processos dentro e entre os átomos, moléculas e cristais em escala de tempo eletrônica – processos que anteriormente poderiam apenas ser insinuados nos estudos em escala de tempo de femtosegundos.

O artigo intitulado “Real-time observation of valence electron motion” de autoria de Eleftherios Goulielmakis, Zhi-Heng Loh, Adrian Wirth, Robin Santra, Nina Rohringer, Vladislav Yakovlev, Sergey Zherebtsov, Thomas Pfeifer, Abdallah Azzeer, Matthias Kling, Stephen Leone e Ferenc Krausz será publicado em 5 de agosto de 2010 na revista  Nature.