Nanotecnologia

Físicos medem o tempo sem usar um relógio

Físicos medem o tempo sem usar um relógio
Esquema do experimento, que envolve medir o ângulo de rotação do elétron fotoemitido. [Imagem: Mauro Fanciulli et al. - 10.1103/PhysRevLett.118.067402]

Fotoemissão

Como Albert Einstein explicou em 1905, quando os fótons da luz atingem determinados materiais, esses materiais emitem elétrons.

Esse fenômeno, chamado fotoemissão, está na base do funcionamento de um sem-número de tecnologias, incluindo células solares, LEDs, sensores de câmeras digitais etc.

Mas, quando se trata de usá-lo para pesquisas científicas de ponta - nas técnicas de espectroscopia, por exemplo - há um detalhe que ainda precisa de melhor explicação.

Os físicos vinham considerando que o elétron é emitido imediatamente após a chegada do fóton, mas, conforme a medição do tempo ficou mais precisa, começou a parecer que há de fato um retardo na emissão do elétron. E, com o nível de precisão da espectroscopia aumentando, esse retardo passou a ser importante.

Agora, Mauro Fanciulli e seus colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, conseguiram medir o retardo ultracurto da fotoemissão de elétrons - e fizeram isso sem usar um relógio, já que as técnicas a laser complicam muito o experimento.

Físicos medem o tempo sem usar um relógio
Já se sabia que há uma conexão direta entre o tempo e a matéria. [Imagem: Pei-Chen Kuan]

Tempo sem relógio

Fanciulli descobriu que, durante a fotoemissão, a polarização do spin dos elétrons emitidos pode ser relacionada com o tempo que leva para eles serem emitidos - um tempo na casa dos attossegundos. Mais importante, o retardo foi documentado sem a necessidade de aparato de resolução ou medição do tempo - essencialmente, sem a necessidade de um relógio.

Para fazer isso, equipe mediu o spin dos elétrons fotoemitidos a partir de um cristal de cobre usando um tipo de espectroscopia de fotoemissão chamada SARPES (Spin- and Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy).

As informações sobre a escala de tempo da fotoemissão estão incluídas na função de onda dos elétrons emitidos - esta função é uma descrição quântica da probabilidade de onde um determinado elétron pode ser encontrado em um dado momento. Usando a técnica SAPRES, a equipe conseguiu medir o spin dos elétrons, que por sua vez lhes permitiu acessar suas propriedades de função de onda.

Embora a medição envolva avaliar transições de fase expressas na função de onda, o processo pode ser entendido como uma comparação do spin dos elétrons no material e o spin do elétron fotoemitido, o que revela uma alteração no ângulo de spin, que por sua vez pode ser usado como um "proxy" para o tempo decorrido entre a chegada do fóton e a emissão do elétron - uma medição de tempo sem relógio, por meio do ângulo da rotação do elétron.

E, de fato, os dados mostram que há um período finito de tempo no processo de fotoemissão.

Físicos medem o tempo sem usar um relógio
Outra equipe já havia proposto medir o tempo pelo calor. [Imagem: Konstantin Yuganov]

Natureza do tempo

"Com lasers, você pode medir diretamente o tempo de retardo entre os diferentes processos, mas é difícil determinar quando um processo começa - o tempo zero," detalha Fanciulli. "Mas, em nosso experimento, nós medimos o tempo indiretamente, então não temos esse problema - nós podemos acessar uma das escalas de tempo mais curtas já medidas. As duas técnicas, spin e lasers, são complementares, e juntas elas podem produzir um domínio inteiramente novo de informação."

"O trabalho é uma prova de conceito que pode desencadear novas pesquisas fundamentais e aplicadas," disse o professor Hugo Dil, coordenador da equipe. "Ele lida com a natureza fundamental do próprio tempo e ajudará a entender os detalhes do processo de fotoemissão, mas também poderá ser usado em espectroscopia de fotoemissão sobre materiais de interesse".

Alguns desses materiais incluem o grafeno e os supercondutores de alta temperatura, nos quais a equipe já se prepara para testar a nova técnica.

Bibliografia:

Spin polarization and attosecond time delay in photoemission from spin degenerate states of solids
Mauro Fanciulli, Henrieta Volfová, Stefan Muff, Jürgen Braun, Hubert Ebert, Jan Minár, Ulrich Heinzmann, J. Hugo Dil
Physical Review Letters
Vol.: 118:6 (067402)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.067402




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