Lasers sincronizados revelam como a luz interage com a matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/09/2012

Distribuição das cargas de valência no diamante, que foi usado como modelo para aferir a nova técnica de mixagem de ondas.
[Imagem: Glover et al./Nature]

Interação luz-matéria

A luz altera a matéria de maneiras que moldam o nosso mundo.

Fótons desencadeiam alterações nas proteínas do olho para permitir a visão; a luz solar divide a água em hidrogênio e oxigênio e cria produtos químicos através da fotossíntese; a luz faz com que os elétrons fluam nos semicondutores que formam as células solares.

Na tentativa de usufruir dessa interação luz-matéria, cientistas e engenheiros estão trabalhando no desenvolvimento de novas tecnologias que dependam da manipulação da luz, em vez dos elétrons.

A grande dificuldade é que, até agora, era impossível medir diretamente como a luz manipula a matéria em escala atômica.

Mais especificamente, o que acontece quando um fóton atinge um átomo?

O desafio acaba de ser vencido por uma equipe internacional de pesquisadores, coordenados pelo Dr. Thornton Glover, que usaram o acelerador LCLS (Linac Coherent Light Source), na Universidade de Stanford, nos Estados Unidos.

Mixagem de ondas

Os cientistas desenvolveram uma técnica que usa um pulso de raios X superbrilhante, combinado com um pulso da luz de baixa frequência que nossos olhos conseguem enxergar, emitida por um laser.

Dirigindo os dois pulsos combinados para uma amostra de diamante, os cientistas conseguiram medir diretamente, pela primeira vez, a manipulação óptica das ligações químicas do cristal, na escala de átomos individuais.

Diferentemente da técnica de difração de raios X, comumente usada no estudo de proteínas e outras moléculas biológicas, a mistura de ondas de raios X e óptica consegue detectar como a luz redefine a distribuição das cargas elétricas em um material.

A técnica mostrou os núcleos de carbono como pontos escuros, e picos de algumas de suas ligações como pontos azuis e brancos.
[Imagem: Glover et al./Nature]

"A difração convencional não fornece informações diretas sobre a forma como os elétrons de valência respondem à luz, nem sobre os campos elétricos que surgem em um material por causa dessa resposta," explicou o Dr. Glover. "Mas, com a mistura de raios X e de onda óptica, a energia modificada dos raios X sonda seletivamente a carga opticamente sensível de um material."

Materiais avançados

Além da capacidade de medir diretamente, em escala atômica, detalhes de como a luz inicia alterações tais como reações químicas ou transições de fase, a sensibilidade à carga de valência que a técnica oferece abre a possibilidade de acompanhar a evolução das ligações químicas ou a condução de elétrons em um material.

Os cientistas usaram o diamante por ser um material com estrutura e propriedades eletrônicas bem conhecidas, o que permitiu aferir a técnica.

"O tipo mais fácil de experimento de difração é com cristais, e há muito o que aprender," disse Glover. "Por exemplo, a luz pode ser usada para alterar a ordem magnética em materiais avançados, mas muitas vezes não fica muito claro exatamente o que a luz faz, em escala microscópica, para iniciar essas mudanças."

A expectativa é que essa nova técnica de mixagem de ondas ajude a desvendar esses mecanismos e, uma vez compreendidos, permita manipulá-los.

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