A criação de fotoelétrons por ionização é um dos processos mais fundamentais na interação entre a luz e a matéria. Ainda, Ainda há questões profundas sobre como os fótons transferem seu momento linear para os elétrons. Com o primeiro estudo sub-femtossegundo da transferência de momento de fóton linear durante um processo de ionização, Os físicos da ETH fornecem agora uma visão sem precedentes sobre o nascimento de fotoelétrons.

A interação entre a luz e a matéria é a base de muitos fenômenos fundamentais e de várias tecnologias práticas. Mais famosa, no efeito fotoelétrico, elétrons são emitidos de um material que é exposto à luz de energia adequada. A origem do fenômeno permaneceu um enigma por muito tempo, e somente com o advento da teoria quântica - e graças ao gênio de Albert Einstein - o efeito foi totalmente compreendido. Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1921 por sua descoberta das leis subjacentes, e, desde então, o efeito tem sido aproveitado em aplicações que variam de espectroscopia a dispositivos de visão noturna. Em alguns casos importantes, o princípio fundamental é a transferência não de energia, mas de momento linear - ou, impulso - de fótons para elétrons. Este é o caso, por exemplo, quando a luz laser é usada para resfriar objetos microscópicos e macroscópicos, ou para compreender o fenômeno da pressão de radiação.

Apesar da importância fundamental da transferência de momentum, os detalhes precisos de como a luz passa seu impulso para a matéria ainda não foram totalmente compreendidos. Uma razão é que o impulso transferido muda durante um ciclo óptico extremamente rápido, escalas de tempo sub-femtossegundo. Até aqui, estudos revelaram principalmente informações sobre comportamento com média de tempo, faltando aspectos dependentes do tempo da transferência de momento linear durante a fotoionização. Essa lacuna agora foi preenchida pelo grupo de Ursula Keller no Instituto de Eletrônica Quântica, como relatam em um artigo publicado hoje em Nature Communications .

Eles analisaram o caso de altas intensidades de laser, onde vários fótons estão envolvidos no processo de ionização, e investigou quanto momento é transferido na direção da propagação do laser. Para alcançar resolução de tempo suficiente, eles empregaram a chamada técnica attoclock, que foi desenvolvido e refinado no laboratório Keller na última década. Neste método, a resolução de attossegundo é alcançada sem a necessidade de produzir pulsos de laser de attossegundo. Em vez de, informações sobre o vetor de campo de laser giratório próximo à luz polarizada circular são usadas para medir o tempo relativo ao evento de ionização com precisão de attossegundos. Muito semelhante ao ponteiro de um relógio - neste momento, esse ponteiro do relógio está girando em um círculo completo dentro de um ciclo óptico de 11,3 fs de duração.

Com esta ferramenta versátil em mãos, os físicos da ETH foram capazes de determinar quanto elétrons de momento linear ganharam dependendo de quando os fotoelétrons "nasceram". Eles descobriram que a quantidade de momento transferida na direção de propagação do laser realmente depende de quando, durante o ciclo de oscilação do laser, o elétron é "liberado" da matéria, no caso deles, átomos de xenônio. Isso significa que, pelo menos para o cenário que eles exploraram, a imagem de pressão de radiação calculada com base no tempo não é aplicável. Curiosamente, eles podem reproduzir o comportamento observado quase totalmente dentro de um modelo clássico, Considerando que muitos cenários de interação luz-matéria, como dispersão Compton, só pode ser explicado dentro de um modelo de mecânica quântica.

O modelo clássico teve que ser estendido, no entanto, para levar em conta a interação entre o fotoelétron de saída e o íon xenônio residual. Esta interação, eles mostram em seus experimentos, induz um atraso de attossegundo adicional no tempo da transferência de momento linear em comparação com a previsão teórica para um elétron livre nascido durante o pulso. Se tais atrasos são uma propriedade geral da fotoionização ou se eles se aplicam apenas ao tipo de cenários investigados no presente estudo, permanece em aberto por enquanto. O que é claro, Contudo, é que com este primeiro estudo de transferência de momento linear durante a ionização na escala de tempo natural do processo, o grupo Keller abriu uma nova rota estimulante para explorar a natureza fundamental das interações luz-matéria - cumprindo assim uma promessa central da ciência attossegunda.