Um pulso de laser atinge um átomo de hélio. Um dos elétrons é arrancado do átomo, o outro elétron pode mudar seu estado quântico. Crédito:TU Wien
Quando um sistema quântico muda de estado, isso é chamado de salto quântico. Usualmente, esses saltos quânticos são considerados instantâneos. Agora, novos métodos para medições de alta precisão nos permitem estudar a evolução temporal desses saltos quânticos. Em uma escala de tempo de attossegundos, sua estrutura de tempo torna-se visível. É a medição de tempo mais precisa de saltos quânticos até hoje.
As partículas quânticas podem mudar de estado muito rapidamente - isso é chamado de "salto quântico". Um átomo, por exemplo, pode absorver um fóton, mudando assim para um estado de energia superior. Usualmente, pensa-se que esses processos acontecem instantaneamente, de um momento para o outro. Contudo, com novos métodos, desenvolvido na TU Wien (Viena), agora é possível estudar a estrutura de tempo dessas mudanças de estado extremamente rápidas. Muito parecido com um microscópio eletrônico nos permite dar uma olhada em estruturas minúsculas que são muito pequenas para serem vistas a olho nu, os pulsos ultracurtos do laser nos permitem analisar estruturas temporais antes inacessíveis.
A parte teórica do projeto foi realizada pela equipe do Prof. Joachim Burgdörfer na TU Wien (Viena), que também desenvolveu a ideia inicial do experimento. O experimento foi realizado no Max-Planck-Institute for Quantum Optics em Garching (Alemanha). Os resultados já foram publicados na revista Física da Natureza .
A medição de tempo mais precisa de saltos quânticos
Um átomo de hélio neutro tem dois elétrons. Quando é atingido por um pulso de laser de alta energia, pode ser ionizado:um dos elétrons é arrancado do átomo e se afasta dele. Este processo ocorre em uma escala de tempo de attossegundos - um attosegundo é um bilionésimo de um bilionésimo de um segundo.
"Pode-se imaginar que o outro elétron, que fica no átomo, não desempenha realmente um papel importante neste processo, mas isso não é verdade ", diz Renate Pazourek (TU Wien). Os dois elétrons são correlacionados, eles estão intimamente ligados pelas leis da física quântica, eles não podem ser vistos como partículas independentes. "Quando um elétron é removido do átomo, parte da energia do laser pode ser transferida para o segundo elétron. Permanece no átomo, mas é elevado a um estado de energia superior ", diz Stefan Nagele (TU Wien).
Uma vez que um fóton removeu um elétron de um átomo de hélio, é possível calcular a posição provável do elétron remanescente. A posição mais provável do elétron é mostrada na imagem como a área mais brilhante ao redor do núcleo atômico (que por si só não é visível na imagem) Crédito:M. Ossiander (TUM) / M. Schultz (MPQ)
Portanto, é possível distinguir entre dois processos de ionização diferentes:um, em que o elétron restante ganha energia adicional e um, em que permanece em um estado de energia mínima. Usando uma configuração experimental sofisticada, foi possível mostrar que a duração desses dois processos não é exatamente a mesma.
"Quando o elétron restante salta para um estado excitado, o processo de fotoionização é um pouco mais rápido - cerca de cinco attossegundos ", diz Stefan Nagele. É notável o quão bem os resultados experimentais concordam com cálculos teóricos e simulações de computador em grande escala realizadas no Vienna Scientific Cluster, O maior supercomputador da Áustria:"A precisão do experimento é melhor do que um attosegundo. Esta é a medição de tempo mais precisa de um salto quântico até hoje", diz Renate Pazourek.
Controlando Attosegundos
O experimento fornece novos insights sobre a física de escalas de tempo ultracurtas. Efeitos, que algumas décadas atrás ainda eram considerados "instantâneos" agora podem ser vistos como desenvolvimentos temporais que podem ser calculados, medido e até controlado. Isso não ajuda apenas a compreender as leis básicas da natureza, também traz novas possibilidades de manipulação da matéria em escala quântica.
