Cientistas fotografam buraco quântico deixado por elétron

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/08/2010

No íon de criptônio as oscilações quânticas na camada de valência ocorrem em ciclos de seis femtossegundos.
[Imagem: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory]

Físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, já bateram o recorde mundial de menor tempo já medido e recentemente desbancaram uma teoria de um século, mostrando que o efeito fotoelétrico tem um retardamento temporal devido a uma interação entre os elétrons.

Agora, eles observaram pela primeira vez o que ocorre dentro de um "buraco quântico" - o "vazio" deixado no átomo quando um único elétron de sua camada de valência é ejetado.

Nuvem de elétrons

Os movimentos dos elétrons em suas órbitas atômicas duram apenas alguns poucos attossegundos - um attossegundo é um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. Mas o que exatamente essas partículas elementares fazem na "atmosfera dos átomos" é algo ainda em grande parte desconhecido.

O que é bem claro é que não se pode determinar o momento e a localização de uma partícula quântica - como o elétron - ao mesmo tempo. Por isto, o movimento dessas partículas elementares é descrito em termos de uma nuvem de elétrons, chamada "densidade probabilística das partículas".

E esta nuvem de elétrons está sujeita a uma rápida pulsação quando sofre uma excitação, com a incidência de um fóton.

O que os cientistas fizeram agora foi observar o movimento da nuvem de elétrons quando um dos elétrons no átomo é ejetado por um pulso de luz.

Buraco quântico

O experimento é um prosseguimento do estudo anterior, que determinou que um elétron excitado por um fóton - o princípio de funcionamento das células solares - demora 20 attossegundos para deixar o átomo.

Desta vez, a equipe do Dr. Ferenc Krausz usou pulsos de luz de 100 attossegundos para observar o que acontece no local exato de um átomo do gás nobre criptônio onde um elétron é expulso de sua órbita por um pulso de luz.

Quando o pulso de laser arranca um elétron, o átomo se torna um íon, com carga positiva. No momento em que o elétron deixa o átomo, cria-se um "buraco", ou uma lacuna, com carga positiva, dentro do íon.

Do ponto de vista da mecânica quântica, esse espaço livre continua a pulsar dentro do átomo.

Em cima, o diagrama clássico de um átomo de criptônio, com seus 36 elétrons em camadas. Embaixo, as fotos virtuais do movimento da lacuna positiva deixada pelo elétron de valência expulso.
[Imagem: Goulielmakis et al.]

Os que os físicos conseguiram fazer agora foi observar diretamente esta pulsação, criando uma fotografia virtual do buraco quântico.

Dinâmica das partículas elementares

O experimento demonstrou que a posição da lacuna dentro do íon, ou seja, a localização da carga positiva, move-se para trás e para frente, variando entre uma forma alongada e uma forma compacta, em ciclos com uma duração de 6 femtossegundos - um femtossegundo é a milésima parte do attossegundo.

"Nossas experiências nos deram uma visão única em tempo real desse microcosmo," comenta o Dr. Krausz. "Usando flashes de luz de attossegundos, nós registramos pela primeira vez processos da mecânica quântica dentro de um átomo ionizado."

O feito ajuda a compreender a dinâmica das partículas elementares fora do núcleo atômico, que é mais extensamente estudado em experimentos como o LHC.

Em sistemas mais complexos - em nível molecular - este tipo de dinâmica é o principal responsável pela sequência dos processos químicos e biológicos.

Um entendimento mais preciso dessa dinâmica poderá abrir as portas para o entendimento de fenômenos que vão da origem microscópica de doenças atualmente incuráveis até a aceleração gradual da velocidade de processamento dos computadores.

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