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Nova tcnica mede tempos em bilionsimos de bilionsimo de segundo

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Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 02/01/2023

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A equipe construiu um novo tipo de equipamento de medio do tempo, chamado interfermetro de fase Gouy.
[Imagem: Griffith University]

Quando o tempo curto demais

Com que velocidade os eltrons dentro de uma molcula se movem? rpido, levando apenas alguns attossegundos para que um eltron pule de um tomo para outro.

Como 1 attossegundo equivale a 10-18 segundo, pisque e voc perdeu o salto milhes de bilhes de vezes – 1 attossegundo est para 1 segundo assim como 1 segundo est para a idade do Universo.

No por acaso, medir esses processos ultrarrpidos uma tarefa desafiadora, mas uma tarefa essencial para compreender fenmenos to importantes quanto a fotossntese, as reaes qumicas, o funcionamento dos transistores mais rpidos, as clulas solares e muitos etecteras.

por isso que inmeras equipes ao redor do mundo continuam trabalhando nisso.

Zeptossegundos

O resultado mais recente acaba de ser anunciado por uma equipe australiana, que desenvolveu uma nova tcnica interferomtrica capaz de medir tempos com resoluo de zeptossegundos, ou 10-21 segundo – o recorde de menor tempo j medido est na faixa dos zeptossegundos.

Eles usaram essa tcnica para medir a diferena de tempo entre pulsos de luz ultravioleta extrema emitidos por dois istopos diferentes de molculas de hidrognio – H2 e D2 – interagindo com pulsos de laser infravermelho.

O retardo de menos de trs attossegundos e causado por movimentos ligeiramente diferentes dos ncleos mais leves e mais pesados dos dois istopos.

“Essa resoluo de tempo sem precedentes alcanada por meio de uma medio interferomtrica – sobrepondo as ondas de luz atrasadas e medindo seu brilho combinado,” contou a pesquisadora Mumta Mustary, da Universidade Griffith.

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Esquema do processo de medio realizado pelo novo equipamento.
[Imagem: Griffith University]

Medio interferomtrica

As ondas de luz cujo retardo foi mensurado foram geradas por molculas expostas a intensos pulsos de laser, um processo chamado gerao de alto harmnico (GAH).

A GAH ocorre quando um eltron removido de uma molcula por um forte pulso de laser, acelerado pelo mesmo pulso e ento se recombina com o on, liberando a energia que havia recebido inicialmente na forma de radiao ultravioleta extrema (XUV). Tanto a intensidade quanto a fase dessa radiao emitida so sensveis exata dinmica das funes de onda dos eltrons envolvidos no processo – todos os tomos e molculas emitem radiao GAH de maneira diferente.

Embora seja relativamente simples medir a intensidade espectral da GAH – um simples espectrmetro de grade pode fazer isso – medir a fase de GAH uma tarefa muito mais difcil. Mas vale a pena porque a fase contm as informaes mais relevantes sobre a temporizao das vrias etapas do processo de emisso.

Para medir esta fase, comum realizar uma medio interferomtrica, na qual duas rplicas da onda com retardo finamente controlado so foradas a se sobrepor (ou interferir) uma na outra. Elas podem interferir de modo construtivo ou destrutivo, dependendo do retardo e da diferena de fase relativa entre elas.

Essa medio realizada por um aparelho chamado interfermetro. Mas muito difcil construir um interfermetro para luz XUV, em particular para produzir e manter um retardo estvel, conhecido e ajustvel entre dois pulsos XUV.

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Esquema do interfermetro de fase Gouy.
[Imagem: Griffith University]

Fase de Gouy

Mumta Mustary e seus colegas resolveram esse problema tirando vantagem de um fenmeno conhecido como fase Gouy, quando a fase de uma onda de luz deslocada de uma certa maneira ao passar por um foco – o nome uma homenagem ao fsico francs Louis Georges Gouy (1854-1926).

Para seus experimentos, os pesquisadores usaram dois istopos de hidrognio molecular, que a molcula mais simples da natureza. Os istopos, conhecidos como hidrognio leve (H2) e hidrognio pesado (D2), diferem apenas na massa dos ncleos – prtons no H2 e deutrios no D2. Todo o resto, incluindo a estrutura eletrnica e as energias, so idnticos.

Devido sua maior massa, os ncleos de D2 movem-se ligeiramente mais devagar do que os de H2. Como os movimentos nucleares e eletrnicos nas molculas ficam acoplados, o movimento nuclear afeta a dinmica das funes de onda dos eltrons durante o processo GAH (gerao de alto harmnico), resultando em uma pequena mudana de fase entre os dois istopos (δ φ H2 – D2).

Essa mudana de fase equivalente a um retardo de tempo Δt = Δ φ H2 – D2 / ω, onde ω (mega) a frequncia da onda XUV. Os cientistas mediram esse retardo de tempo de emisso para todos os harmnicos observados no espectro GAH, e constataram que ele quase constante e ligeiramente abaixo de 3 attossegundos.

Bibliografia:

Artigo: Attosecond Delays of High-Harmonic Emissions from Hydrogen Isotopes Measured by XUV Interferometer
Autores: Mumta Hena Mustary, Liang Xu, Wanyang Wu, Nida Haram, Dane E. Laban, Han Xu, Feng He, R. T. Sang, Igor V. Litvinyuk
Revista: Ultrafast Science
Vol.: 2022 |Article ID 9834102
DOI: 10.34133/2022/9834102

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