Os elétrons e as partículas subatômicas no geral se movem a velocidades quase inimagináveis, e para capturar seu movimento são necessários flashes de luz absurdamente rápidos.
Em 1925, Werner Heisenberg, um dos pioneiros da mecânica quântica, teorizou que seria impossível observar um elétron circulando um átomo de hidrogênio. E enquanto ele estava certo em um sentido, ele não poderia prever o que físicos como Anne L’Huillier, Pierre Agostini e Ferenc Krausz poderiam realizar um século depois.
Anne L’Huillier nasceu em 1958 em Paris, França, obteve seu doutorado em 1986 pela Universidade Pierre e Marie Curie também em Paris e hoje é professora na Universidade de Lund, Suécia.
Ferenc Krausz, nasceu em 1962 em Mór, Hungria, é o diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, em Garching, e professor Ludwig-Maximilians-Universität München, Alemanha.
Pierre Agostini, é um físico experimental, nascido na Tunísia em 23 de julho de 1941, professor na The Ohio State University, Columbus, EUA, obteve seu doutorado em 1968 na Universidade Aix-Marseille, França.
Os três descobriram que, com a capacidade de criar pulsos de laser de attosegundo, poderiam interagir com elétrons em sua evolução e sondar diretamente os vários comportamentos desses elétrons, desenvolvendo então a capacidade de iluminar a realidade em escalas de tempo inimaginavelmente breves. Por esse feito, o Prêmio Nobel de Física de 2023 é deste trio!
Observando o movimento dos elétrons
Entre os anos 1980 e início dos 2000, esses três visionários desenvolveram técnicas para produzir pulsos de laser que duram meros attosegundos, períodos bilhões e bilhões de vezes mais curtos do que um segundo. Para ter uma ideia do quão rápido isso é, vamos iniciar com uma reflexão simples.
Um beija-flor consegue bater suas asas 80 vezes por segundo. Para nós, isso se traduz em um zumbido e um borrão de movimento, quase imperceptíveis. Rápidos e breves instantes como esse são impossíveis de serem observados a olho nu, sendo necessário recorrer à tecnologia.
Aquelas fotos em alta definição de um beija-flor em pleno voo com tamanha riqueza de detalhes, só é possível em razão de um tempo de exposição muito menor do que um único batimento de asa. Quanto mais rápido o evento, mais rápido precisamos congelar aquele instante, o que vale para qualquer técnica que vise mensurar ou ilustrar processos rápidos. E só se obtém clareza nas medições se elas forem feitas mais rapidamente do que o sistema estudado leva para sofrer uma mudança significativa.
Os laureados de física de 2023 levaram esse conceito a um novo nível, realizando experimentos que ilustraram um método para produzir pulsos de luz breves o suficiente para capturar imagens de processos ocorrendo dentro de átomos e moléculas.
A escala de tempo natural de um átomo é incrivelmente curta. Dentro de uma molécula, os átomos podem se mover e girar em milionésimos de um bilionésimo de segundo, conhecidos como femtossegundos. Entretanto, quando falamos de movimentos de elétrons dentro de átomos ou moléculas, a coisa se acelera ainda mais, tornando as mudanças praticamente imperceptíveis em um femtosegundo. No universo dos elétrons, as posições e energias mudam em velocidades entre um e algumas centenas de attosegundos.
Um attosegundo é um quintilionésimo de segundo, é tão curto que o número de attosegundos em um único segundo é o mesmo que o número de segundos desde a criação do universo, há 13,8 bilhões de anos. Em uma escala mais palpável, imagine um lampejo de luz sendo enviado de um lado a outro de uma sala – isso levaria dez bilhões de attosegundos.
Durante muito tempo, acreditou-se que o femtosegundo era o limite para os pulsos de luz que poderíamos produzir. Melhorar a tecnologia existente não era suficiente para observar processos que ocorriam nos tempos incrivelmente curtos dos elétrons, era preciso algo completamente novo.
E foi essa façanha que garantiu o Prêmio Nobel de Física de 2023 a Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier: Os métodos experimentais que geram pulsos de luz de attosegundo para o estudo da dinâmica de elétrons na matéria. Esta honraria celebra não apenas uma conquista impressionante, mas também as possibilidades infinitas que esse novo campo da física de attosegundos pode nos trazer no futuro.
Eva Olsson, presidente do Comitê Nobel de Física e física da Universidade de Tecnologia de Chalmers, expressou com entusiasmo a revolução causada por essa inovação. “A habilidade de gerar pulsos de luz de attosegundos abriu a porta para uma escala temporal extremamente minúscula. Também abriu as portas para o mundo dos elétrons,” ela mencionou.
Um exemplo de aplicação prática tangível: dispare pulsos de laser de attosegundo em um semicondutor, e o material alterna quase instantaneamente entre bloquear e conduzir eletricidade. Isso tem implicações gigantescas para o futuro da eletrônica.
E há mais. Krausz está tentando aproveitar os pulsos de attosegundo para detectar mudanças sutis nas células sanguíneas que podem indicar estágios iniciais do câncer.
Einstein, o efeito fotoelétrico e a revelação dos attosegundos
1905 foi um ano notável para a física. Albert Einstein, com sua mente brilhante, publicou a primeira explicação do efeito fotoelétrico. Mas naquela época, os instrumentos e técnicas disponíveis eram insuficientes para captar os tempos extremamente curtos relevantes para esse efeito. Por muitos anos, os físicos simplesmente acreditavam que o efeito ocorria instantaneamente.
Einstein, com sua contribuição seminal, foi laureado com o Prêmio Nobel de Física em 1921. A homenagem foi “por seus serviços à Física Teórica, e especialmente por sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico“. No entanto, um detalhe curioso é que quando chegou o momento de sua palestra do Nobel, Einstein estava no Japão. Ele só conseguiu apresentar em Gotemburgo, no verão de 1923 – um evento único na história dos Prêmios Nobel. E ele não quis falar sobre o assunto que garantiu a honraria a ele, optando por falar sobre a teoria da relatividade, teoria esta pela qual, ironicamente, ele nunca recebeu um Nobel.
Mas avançando para o presente, uma pergunta fundamental estava em voga: “Qual é a escala de tempo para o efeito fotoelétrico?”. Quando um átomo ou superfície absorve energia suficiente da luz incidente, essa energia pode ser transferida para um elétron, que é então emitido. Esse processo não é instantâneo. Existe uma pequena, mas significativa, demora nessa emissão.
Antes da revolução trazida pelos attosegundos, muitos assumiam que o processo era instantâneo, e a pesquisa focava apenas nas energias envolvidas. Era essa a base da espectroscopia fotoeletrônica.
A história
No final da década de 1980, os físicos começaram a aprimorar sua capacidade de produzir esses pulsos. Usando gases específicos e aplicando luz, eles observaram a produção de “overtones” ou novas cores de luz que oscilavam mais rapidamente que o laser original. Ao combinar várias dessas técnicas e entendimentos, eles foram capazes de produzir os tão desejados pulsos de attosegundo.
Isso não é apenas sobre a observação de elétrons de uma nova forma, trata-se de uma técnica de implicações revolucionárias. Mats Larsson, um membro do comitê Nobel, atribuiu à técnica o surgimento do campo da “attoquímica”, que é essencialmente a capacidade de manipular elétrons individuais usando luz.
Além disso, Krausz e sua equipe, em 2010, puderam mostrar que os elétrons liberados de átomos de neon tinham diferentes tempos de liberação, dependendo de seu estado energético. Em 2020, foi demonstrado que os elétrons escapam de água líquida mais rapidamente do que de vapor d’água. Esses são apenas vislumbres das aplicações potenciais desses pulsos de attosegundo.
Um detalhe…
Para concluir com uma nota mais leve: esta manhã, o Comitê Nobel teve um pequeno contratempo ao tentar entrar em contato com L’Huillier. Ela estava no meio de uma palestra quando foi informada de sua vitória. Imagina receber essa notícia enquanto ensina! Ela, no entanto, completou a palestra, embora admita que a última meia hora foi um desafio!
Observar os elétrons do jeito que os três físicos vencedores do Nobel viabilizaram abriu as portas da ciência! Futuras descobertas e aplicações que essas técnicas revolucionárias de attosegundo trarão para o mundo da física com certeza serão surpreendentes!
Fonte: Quanta Magazine | Nobel Prize Social Page
