Físicos do Laboratório de Física do Atossegundo (administrado em conjunto pelo LMU Munich e o Instituto Max Planck de Óptica Quântica) desenvolveram um microscópio eletrônico de attossegundo que permite visualizar a dispersão da luz no tempo e no espaço, e observe os movimentos dos elétrons nos átomos.

A mais básica de todas as interações físicas na natureza é aquela entre a luz e a matéria. Essa interação ocorre em tempos de attossegundos (ou seja, bilionésimos de um bilionésimo de segundo). O que exatamente acontece em um tempo tão surpreendentemente curto permanece até agora inacessível. Agora, uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Peter Baum e Dr. Yuya Morimoto no Laboratório de Física de Attosegundos (LAP), um empreendimento colaborativo entre LMU Munich e o Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), desenvolveu um novo modo de microscopia eletrônica, que permite observar esta interação fundamental em tempo real e espaço real.

Para visualizar fenômenos que ocorrem na escala de attossegundo, como a interação entre luz e átomos, é preciso um método que acompanhe os processos ultrarrápidos em uma resolução espacial na escala atômica. Para atender a esses requisitos, Baum e Morimoto fazem uso do fato de que os elétrons, como partículas elementares, também possuem propriedades semelhantes a ondas e podem se comportar como os chamados pacotes de ondas. Os pesquisadores direcionam um feixe de elétrons para um fino folha dielétrica, onde a onda de elétrons é modulada por irradiação com um laser ortogonalmente orientado. A interação com o campo óptico oscilante acelera e desacelera alternadamente os elétrons, o que leva à formação de uma seqüência de pulsos de attossegundo. Esses pacotes de ondas consistem em aproximadamente 100 pulsos individuais, cada um dos quais dura cerca de 800 attossegundos.

Para fins de microscopia, esses trens de pulsos de elétrons têm uma grande vantagem sobre as sequências de pulsos ópticos de attossegundos:eles têm um comprimento de onda muito mais curto. Eles podem, portanto, ser empregados para observar partículas com dimensões inferiores a 1 nanômetro, como átomos. Esses recursos tornam os trens de pulsos de elétrons ultracurtos uma ferramenta ideal para monitorar, em tempo real, os processos ultrarrápidos iniciados pelo impacto das oscilações da luz na matéria.

Em seus dois primeiros testes experimentais do novo método, os pesquisadores de Munique transformaram seus trens de pulso de attossegundo em um cristal de silício, e foram capazes de observar como os ciclos de luz se propagam e como os pacotes de ondas de elétrons foram refratados, difratados e dispersos no espaço e no tempo. No futuro, este conceito lhes permitirá medir diretamente como os elétrons no cristal se comportam em resposta aos ciclos de luz, o efeito primário de qualquer interação luz-matéria. Em outras palavras, o procedimento atinge resolução de ciclo subatômico e subluz, e os físicos do LAP agora podem monitorar essas interações fundamentais em tempo real.

Seu próximo objetivo é gerar pacotes de onda de elétrons de attosegundo único, para acompanhar o que acontece durante as interações subatômicas com precisão ainda maior. O novo método pode ter aplicação no desenvolvimento de metamateriais. Metamateriais são artificiais, ou seja, nanoestruturas projetadas, cuja permissividade elétrica e permeabilidade magnética divergem significativamente das dos materiais convencionais. Isso, por sua vez, dá origem a fenômenos ópticos únicos, que abrem novas perspectivas em óptica e optoeletrônica. De fato, metamateriais podem servir como componentes básicos em futuros computadores movidos a luz.