Sobre o Prêmio Nobel de Física 2023

19 de outubro, 2023 às 19:11 | Postado em Estrutura da matéria, Óptica

Vi que o prêmio Nobel foi concedido a pesquisadores que conseguiram medir tempos da ordem de attosegundos. Eu nem sabia o que é um attosegundo. Como é possível medir um intervalo de tempo tão pequeno? E qual a utilidade disso?

O prêmio Nobel de física 2023 foi concedido ‘pelos métodos experimentais que geram pulsos de luz de attosegundos para o estudo da dinâmica eletrônica na matéria’. Começando pelo final de sua pergunta, a reposta está na própria mensagem da comissão do Nobel, isto é, a utilidade está no estudo da dinâmica eletrônica na matéria. O attosegundo define a escala de tempo da dinâmica dos elétrons (ou nuvem eletrônica) em átomos, moléculas ou na matéria em geral. Já no primeiro modelo atômico de Bohr, descrevendo o hidrogênio atômico como sendo um elétron orbitando um próton, já se sabia que o período do elétron na primeira órbita de Bohr era de 150 attosegundos. Portanto para resolver temporalmente o movimento da nuvem eletrônica em átomos e, por consequência, em moléculas, precisamos de pulsos de attosegundos. Certamente outras utilidades surgirão com o passar do tempo, mas no momento é difícil prever quais serão.

A sua pergunta de como medir intervalos de tempo tão curtos é pertinente e a resposta é longe de ser trivial. Sendo o attosegundo igual a 10^-18s, não há nenhum método mecânico ou eletrônico capaz de atuar rápido o suficiente para capturar tais escalas de tempo. De fato, a única ‘coisa’ rápida o suficiente é o próprio pulso de luz de attosegundos. Juntamente com a pesquisa e o desenvolvimento de métodos de geração de pulsos temporalmente cada vez mais curtos, foram sendo desenvolvidos diferentes métodos de aferição e caracterização de tais pulsos. De forma geral utiliza-se um interferômetro ou algo equivalente. Neste os pulsos de luz de attosegundos são divididos e direcionados ao longo de duas trajetórias (os braços do interferômetro). Um destes braços pode ter o seu comprimento ajustado precisamente, de tal forma a se criar um atraso temporal entre os dois pulsos. Utilizando de óptica adequada, os pulsos são posteriormente espacialmente recombinados. Na posição de superposição deve ser colocado algum material que possa ser perturbado. Por exemplo, tipicamente uma transição por dois fótons não ressonante, o qual é instantânea  e, portanto, estará presente somente durante a duração temporal do pulso perturbador. O pulso que passa pelo braço de atraso será ‘varrido’ temporalmente com relação ao pulso perturbador e irá ‘testar’, para cada atraso temporal, a evolução da perturbação no meio material. Como a perturbação está presente somente durante o tempo do pulso perturbador, por consequência o sinal que é medido devido a interação do material com o pulso de teste será diferente de zero somente durante a duração destes pulsos. Desta forma obtêm-se informação precisa sobre a duração temporal dos pulsos de attosegundos.

Mauro Nisoli, Piero Decleva, Francesca Calegari, Alicia Palacios, and Fernando Martín Attosecond Electron Dynamics in Molecules, Chem. Rev. 2017, 117, 10760−10825