Como usar um laser superintenso para expulsar um elétron de uma molécula

Por todos os seus possibilidades, a natureza tende a repetir uma cena particular repetidamente: o confronto entre a matéria e a luz.

Ele encena a cena de um número praticamente infinito de maneiras, mas nas versões mais familiares, a luz dá início a um processo físico que começa quando um fóton atinge um átomo ou molécula. Na fotossíntese, os fótons do sol atingem as moléculas de clorofila em uma planta para liberar elétrons, iniciando a conversão química de dióxido de carbono e água em açúcar e oxigênio. Quando você sofre uma queimadura solar, fótons de luz ultravioleta atingem e danificam as moléculas de DNA em sua pele. Você também encontrará o processo na tecnologia, como em painéis solares, onde átomos de silício dispostos em um cristal convertem fótons do sol em um fluxo de elétrons que geram energia elétrica.

Mas os físicos ainda não conhecem os detalhes do que acontece quando os fótons encontram átomos e moléculas. O play-by-play ocorre em attossegundos, que são quintilionésimos de segundo (ou 10-18 de um segundo). É preciso um laser especial que dispara pulsos de até segundos de duração para estudar esses fenômenos efêmeros. Você pode pensar no comprimento de um pulso de laser um pouco como a velocidade do obturador de uma câmera. Quanto mais curto o pulso, mais claramente você pode capturar um elétron em movimento. Ao estudar esses momentos, os físicos obtêm maior compreensão de um processo fundamental onipresente na natureza.

No mês passado, físicos de várias instituições acadêmicas na China publicaram resultados em Cartas de revisão física mostrando que eles mediram o tempo que um elétron levou para deixar uma molécula de dois átomos depois de ter sido iluminado com um pulso de laser infravermelho extremamente brilhante e curto. Embora uma molécula de dois átomos seja relativamente simples, sua técnica experimental “abre um novo caminho” para estudar como a luz interage com os elétrons em moléculas mais complexas, escreveram os autores no artigo. (Eles não concordaram em dar uma entrevista à WIRED.)

No experimento, os pesquisadores mediram quanto tempo levou para o elétron deixar a molécula depois que os fótons do laser o atingiram. Especificamente, eles descobriram que o elétron reverberava entre os dois átomos por 3.500 attossegundos antes de decolar. Para colocar isso em perspectiva, isso é um quatrilhão de vezes mais rápido que um piscar de olhos, que leva um terço de segundo.

Para manter o tempo nesse experimento, os pesquisadores rastrearam uma propriedade da luz conhecida como polarização, diz a física Alexandra Landsman, da Ohio State University, que não participou do estudo. A polarização é uma propriedade de muitos tipos de ondas e descreve a direção em que elas oscilam. Você pode pensar sobre a polarização imaginando uma onda oceânica. A direção em que a onda cresce e desce é sua direção de polarização – ela é perpendicular à superfície da água e perpendicular à direção em que a onda se propaga.

Uma onda de luz é uma oscilação no campo eletromagnético, ou o campo de força que permeia todo o espaço e empurra ou puxa cargas elétricas. Quando a luz viaja através de um espaço, ela oscila esse campo, fazendo com que a intensidade do campo de força suba e desça perpendicularmente à sua direção de deslocamento, como a onda do mar. A polarização da luz descreve a direção em que o campo oscila. Quando a luz polarizada em uma direção específica atinge um elétron, ela alterna esse elétron para frente e para trás em paralelo com essa direção.

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