Dois flashes de dois attossegundos tornam visível o movimento dos eletrões
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Os investigadores do Instituto Max Born desenvolveram um método laboratorial em que os impulsos de attossegundos são utilizados tanto para a excitação como para a observação de movimentos eletrónicos. Com a chamada «espectroscopia de absorção de transientes de attossegundos», a equipa conseguiu resolver o movimento oscilatório de um buraco de eletrão em iões de xénon com um período de cerca de três femtossegundos. Os resultados foram agora publicados na revista *Nature Communications*.
Observação do movimento de um buraco de eletrão em iões Xe⁺. A figura superior mostra a variação da absorção XUV em função do atraso; a seta assinala uma estrutura oscilante a cerca de 16 eV. A figura inferior mostra a evolução temporal desta estrutura com um período de cerca de 3 fs.
MBI | Evaldas Svirplys
Investigadores do Instituto Max Born desenvolveram um método laboratorial no qual os pulsos de attossegundos são utilizados tanto para a excitação como para a observação de movimentos eletrónicos. Com a chamada espectroscopia de absorção transitória totalmente em attossegundos, a equipa conseguiu resolver o movimento oscilatório de um buraco de eletrão em iões de xénon com um período de cerca de três femtossegundos. Os resultados foram agora publicados na revista *Nature Communications*.
Os movimentos eletrónicos determinam as fases iniciais de praticamente todos os processos induzidos pela luz na natureza — desde o primeiro passo de uma reação química até ao transporte de carga num sólido. No entanto, estes processos decorrem tão rapidamente que só podem ser observados com flashes de luz com uma duração de algumas centenas de attossegundos. Um attossegundo corresponde a um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. Na maioria das experiências com attossegundos realizadas até agora, um pulso de attossegundos no ultravioleta extremo (XUV) era combinado com um pulso de infravermelho próximo mais longo e frequentemente intenso. Esses campos podem influenciar o sistema em estudo e sobrepor-se à sua resposta eletrónica intrínseca. Na nova abordagem, pelo contrário, tanto o pulso de bombeamento como o pulso de sondagem são pulsos de attossegundos no XUV. Isto permite obter uma visão potencialmente muito mais imparcial da dinâmica subjacente.
Os investigadores geraram, com uma fonte de harmónicos superiores em laboratório, pulsos de attossegundos com uma duração de cerca de 270 attossegundos. O primeiro pulso removeu um eletrão de um átomo de xénon e gerou o ião resultante numa superposição coerente de dois estados eletrónicos energeticamente próximos. A lacuna assim criada na camada eletrónica, um chamado «buraco de elétrons», não permaneceu estacionária, mas moveu-se periodicamente no interior do ião.
O segundo pulso de attossegundos registou este movimento com base em alterações no espectro de absorção do ultravioleta extremo. O período medido, de cerca de três femtossegundos, corresponde ao período de oscilação esperado a partir da diferença de energia entre os dois estados de spin-órbita. «Através da utilização de impulsos de attossegundos em ambas as etapas, podemos excitar e observar movimentos eletrónicos sem aplicar um campo infravermelho adicional forte», explica Bernd Schütte, que liderou o estudo. «Isto aproxima-nos do objetivo de observar processos eletrónicos durante o seu desenrolar, sem os influenciar significativamente.»
A experiência constitui um passo importante no caminho para uma nova geração de espectroscopia de attossegundos, que pode ser realizada em laboratório com fontes intensas de luz de attossegundos. Ao combinar uma resolução temporal extrema com a capacidade de distinguir estados eletrónicos individuais uns dos outros, o método poderá revelar como as cargas se deslocam através das moléculas, como a energia eletrónica é redistribuída e como os primeiros passos decisivos de uma reação fotoquímica resultam da interação acoplada entre eletrões e núcleos atómicos.
O potencial do método vai muito além dos átomos e das moléculas. Quando aplicado a sólidos, o método poderia revelar como o ecrã eletrónico, os processos de dispersão, a multiplicação de portadores de carga, a formação de excitões e a transferência de carga através de interfaces se desenvolvem em escalas temporais que vão de attossegundos a femtossegundos. Tais medições poderiam proporcionar uma nova visão microscópica dos processos que determinam o desempenho de semicondutores, materiais quânticos, sistemas bidimensionais e futuros componentes optoeletrónicos. A longo prazo, a espectroscopia totalmente em attossegundos poderá abrir caminho não só para observar os processos eletrónicos mais rápidos que determinam a reação da matéria à luz, mas também, em última instância, para os controlar de forma seletiva.
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