Nova técnica mede tempo em bilionésimos de bilionésimo de segundo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/01/2023

A equipe construiu um novo tipo de equipamento de medição do tempo, chamado interferômetro de fase Gouy.
[Imagem: Griffith University]

Quando o tempo é curto demais

Com que velocidade os elétrons dentro de uma molécula se movem? É rápido, levando apenas alguns attossegundos para que um elétron pule de um átomo para outro.

Como 1 attossegundo equivale a 10^-18 segundo, pisque e você perdeu o salto milhões de bilhões de vezes - 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.

Não por acaso, medir esses processos ultrarrápidos é uma tarefa desafiadora, mas uma tarefa essencial para compreender fenômenos tão importantes quanto a fotossíntese, as reações químicas, o funcionamento dos transistores mais rápidos, as células solares e muitos etecéteras.

É por isso que inúmeras equipes ao redor do mundo continuam trabalhando nisso.

Zeptossegundos

O resultado mais recente acaba de ser anunciado por uma equipe australiana, que desenvolveu uma nova técnica interferométrica capaz de medir tempos com resolução de zeptossegundos, ou 10^-21 segundo - o recorde de menor tempo já medido está na faixa dos zeptossegundos.

Eles usaram essa técnica para medir a diferença de tempo entre pulsos de luz ultravioleta extrema emitidos por dois isótopos diferentes de moléculas de hidrogênio - H₂ e D₂ - interagindo com pulsos de laser infravermelho.

O retardo é de menos de três attossegundos e é causado por movimentos ligeiramente diferentes dos núcleos mais leves e mais pesados dos dois isótopos.

"Essa resolução de tempo sem precedentes é alcançada por meio de uma medição interferométrica - sobrepondo as ondas de luz atrasadas e medindo seu brilho combinado," contou a pesquisadora Mumta Mustary, da Universidade Griffith.

Esquema do processo de medião realizado pelo novo equipamento.
[Imagem: Griffith University]

Medição interferométrica

As ondas de luz cujo retardo foi mensurado foram geradas por moléculas expostas a intensos pulsos de laser, um processo chamado geração de alto harmônico (GAH).

A GAH ocorre quando um elétron é removido de uma molécula por um forte pulso de laser, é acelerado pelo mesmo pulso e então se recombina com o íon, liberando a energia que havia recebido inicialmente na forma de radiação ultravioleta extrema (XUV). Tanto a intensidade quanto a fase dessa radiação emitida são sensíveis à exata dinâmica das funções de onda dos elétrons envolvidos no processo - todos os átomos e moléculas emitem radiação GAH de maneira diferente.

Embora seja relativamente simples medir a intensidade espectral da GAH - um simples espectrômetro de grade pode fazer isso - medir a fase de GAH é uma tarefa muito mais difícil. Mas vale a pena porque a fase contém as informações mais relevantes sobre a temporização das várias etapas do processo de emissão.

Para medir esta fase, é comum realizar uma medição interferométrica, na qual duas réplicas da onda com retardo finamente controlado são forçadas a se sobrepor (ou interferir) uma na outra. Elas podem interferir de modo construtivo ou destrutivo, dependendo do retardo e da diferença de fase relativa entre elas.

Essa medição é realizada por um aparelho chamado interferômetro. Mas é muito difícil construir um interferômetro para luz XUV, em particular para produzir e manter um retardo estável, conhecido e ajustável entre dois pulsos XUV.

Esquema do interferômetro de fase Gouy.
[Imagem: Griffith University]

Fase de Gouy

Mumta Mustary e seus colegas resolveram esse problema tirando vantagem de um fenômeno conhecido como fase Gouy, quando a fase de uma onda de luz é deslocada de uma certa maneira ao passar por um foco - o nome é uma homenagem ao físico francês Louis Georges Gouy (1854-1926).

Para seus experimentos, os pesquisadores usaram dois isótopos de hidrogênio molecular, que é a molécula mais simples da natureza. Os isótopos, conhecidos como hidrogênio leve (H₂) e hidrogênio pesado (D₂), diferem apenas na massa dos núcleos - prótons no H₂ e deutérios no D₂. Todo o resto, incluindo a estrutura eletrônica e as energias, são idênticos.

Devido à sua maior massa, os núcleos de D₂ movem-se ligeiramente mais devagar do que os de H₂. Como os movimentos nucleares e eletrônicos nas moléculas ficam acoplados, o movimento nuclear afeta a dinâmica das funções de onda dos elétrons durante o processo GAH (geração de alto harmônico), resultando em uma pequena mudança de fase entre os dois isótopos (δ φ H₂ - D₂).

Essa mudança de fase é equivalente a um retardo de tempo Δt = Δ φ H₂ - D₂ / ω, onde ω (ômega) é a frequência da onda XUV. Os cientistas mediram esse retardo de tempo de emissão para todos os harmônicos observados no espectro GAH, e constataram que ele é quase constante e ligeiramente abaixo de 3 attossegundos.

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