Cientistas da Universidade de Konstanz desenvolveram um método que usa flashes de luz de femtossegundos para gerar pulsos eletrônicos com duração de cerca de cinco attossegundos. Esta descoberta, que proporciona uma resolução temporal mais elevada do que as ondas de luz, abre caminho para a observação de fenómenos ultrarrápidos, como as reações nucleares.
Físicos da Universidade de Konstanz geraram um dos sinais mais curtos já produzidos por humanos.
Processos moleculares ou de estado sólido na natureza às vezes podem ocorrer em intervalos de tempo curtos, como femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo) ou attossegundos (um quintilionésimo de segundo). As reações nucleares são mais rápidas. Agora, Maxim Tsarev, Johannes Thurner e Peter Baum, cientistas da Universidade de Konstanz, estão usando uma nova configuração experimental para obter sinais com duração de attosegundos, ou seja, bilionésimos de nanossegundo, abrindo novas fronteiras no campo da tecnologia ultrarrápida. fenômenos.
Nem mesmo as ondas de luz podem atingir tal resolução temporal porque uma única oscilação leva muito tempo para ser alcançada. Os elétrons fornecem uma cura aqui, porque permitem uma resolução temporal muito maior. Em sua configuração experimental, os pesquisadores de Konstanz usaram pares de flashes de femtossegundos de luz de um laser para gerar pulsos eletrônicos extremamente curtos em um feixe de espaço livre. Os resultados são publicados na revista física da natureza.
Como os estudiosos fizeram isso?
Semelhante às ondas de água, as ondas de luz também podem se sobrepor para formar os picos e vales de ondas estacionárias ou viajantes. Os físicos escolheram os ângulos de incidência e as frequências de modo que os elétrons em propagação, que voam através do vácuo à metade da velocidade da luz, interferissem nas cristas e depressões das ondas de luz exatamente na mesma velocidade.
O que é conhecido como força motriz profunda empurra os elétrons em direção ao vale da próxima onda. Assim, após uma curta interação, é gerada uma série de pulsos de elétrons extremamente curtos no tempo – principalmente no meio do trem de pulsos, onde os campos elétricos são muito fortes.
Por um curto período de tempo, a duração dos pulsos de elétrons é de apenas cinco attossegundos. Para entender esse processo, os pesquisadores mediram a distribuição de velocidade dos elétrons que permanecem após a compressão. “Em vez de uma velocidade muito uniforme dos pulsos de saída, vemos uma distribuição muito ampla que resulta da forte desaceleração ou aceleração de alguns elétrons durante a compressão”, explica o físico Johannes Thurner. Mas não só isso: a distribuição não é suave: em vez disso, consiste em milhares de passos de velocidade, uma vez que apenas um par inteiro de partículas de luz pode interagir com os eletrões de cada vez.
importância da pesquisa
O cientista diz que a mecânica quântica é a superposição temporal (interferência) dos elétrons consigo mesmos, tendo experimentado a mesma aceleração em momentos diferentes. Este efeito é relevante para experimentos de mecânica quântica, por exemplo, a interação de elétrons e luz.
Também notável: ondas eletromagnéticas planares, como um feixe de luz, normalmente não podem causar mudanças permanentes na velocidade dos elétrons no vácuo, porque a energia total e o momento total de um elétron massivo e de uma partícula de luz têm massa zero (Fóton) não pode ser salvo. No entanto, ter dois fótons simultaneamente em uma onda viajando a uma velocidade inferior à velocidade da luz resolve este problema (efeito Capitza-Dirac).
Para Peter Baum, Professor de Física e Chefe do Grupo de Luz e Matéria da Universidade de Konstanz, estas descobertas ainda são claramente investigação básica, mas sublinham o grande potencial para investigação futura: “Se dois dos nossos pulsos curtos de matéria colidirem a velocidades variáveis intervalos de tempo, o primeiro pulso pode ser acionado. Para alterar o segundo pulso pode ser usado para vigilância – semelhante ao flash de uma câmera.
Do seu ponto de vista, a grande vantagem é que não há matéria envolvida no princípio empírico e tudo ocorre no espaço livre. Em princípio, lasers de qualquer potência poderiam ser usados no futuro para obter uma pressão mais forte. “Nossa nova pressão de fótons nos permite avançar para novas dimensões de tempo e talvez até imaginar reações nucleares”, diz Baum.
Referência: “Controle quântico óptico não linear de ondas de matéria eletrônica livre” por Maxim Tsarev, Johannes W. Thorner e Peter Baum, 12 de junho de 2023, disponível aqui. Física da natureza.
doi: 10.1038/s41567-023-02092-6
