No efeito fotoelétrico, um fóton ejeta um elétron de um material. Pesquisadores da ETH agora usaram pulsos de laser de attossegundos para medir a evolução temporal desse efeito nas moléculas. A partir de seus resultados, eles podem deduzir a localização exata de um evento de fotoionização.

Quando um fóton atinge um material, pode ejetar um elétron desde que tenha energia suficiente. Albert Einstein encontrou a explicação teórica deste fenômeno, que é conhecido como efeito fotoelétrico, em Berna durante seu "ano das maravilhas" de 1905. Essa explicação foi uma contribuição crucial para o desenvolvimento da mecânica quântica, que estava em andamento na época, e isso lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1921. Uma equipe internacional de físicos liderada por Ursula Keller no Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurique agora acrescentou uma nova dimensão à investigação experimental deste importante efeito. Usando pulsos de laser de attossegundo, eles foram capazes de medir uma pequena diferença de tempo na ejeção do elétron de uma molécula, dependendo da posição do elétron dentro da molécula.

"Há algum tempo, pessoas estudaram a evolução temporal do efeito fotoelétrico nos átomos ", diz Ph.D. estudante Jannie Vos, "mas muito pouco foi publicado até agora sobre as moléculas." Isso se deve principalmente ao fato de que as moléculas são consideravelmente mais complexas do que átomos isolados. Em um átomo, o elétron mais externo que se move ao redor do núcleo atômico é essencialmente catapultado para fora de sua órbita. Em uma molécula, por contraste, dois ou mais núcleos compartilham o mesmo elétron. Onde ele está localizado depende da interação entre os diferentes potenciais de atração. Exatamente como o efeito fotoelétrico ocorre sob tais condições só agora pode ser estudado em detalhes.

Para fazer isso, Keller e seus colegas de trabalho usaram moléculas de monóxido de carbono, que consistem em dois átomos - um átomo de carbono e um átomo de oxigênio. Essas moléculas foram expostas a um pulso de laser ultravioleta extremo que durou apenas alguns attossegundos. (Um attosegundo é a bilionésima parte de um bilionésimo de segundo). A energia dos fótons ultravioleta arrancou um elétron das moléculas, que posteriormente se quebrou em seus átomos constituintes. Um desses átomos se transformou em um íon carregado positivamente no processo. Usando um instrumento especial, os pesquisadores mediram então as direções nas quais os elétrons e íons se afastaram. Um segundo pulso de laser, que agia como uma espécie de parâmetro de medição, também lhes permitiu determinar o instante preciso em que o elétron deixou a molécula.

"Desta forma, fomos capazes, pela primeira vez, para medir o chamado retardo de tempo Wigner estéreo, "explica Laura Cattaneo, que trabalha como pesquisador de pós-doutorado no grupo de Keller. O retardo de tempo de Wigner estéreo mede quanto mais cedo ou mais tarde um elétron deixa a molécula se estiver localizado próximo ao átomo de oxigênio ou ao átomo de carbono quando ocorre a fotoionização. Os pulsos de laser extremamente curtos tornam possível medir aquele instante em poucos attossegundos. A partir dessa informação, por sua vez, é possível determinar a localização do evento de ionização dentro da molécula com uma precisão de um décimo de nanômetro. Os resultados experimentais concordam bem com as previsões teóricas que descrevem a posição mais provável de um elétron no momento da fotoionização.

Próximo, os pesquisadores da ETH querem dar uma olhada mais de perto nas moléculas maiores, começando com o gás hilariante N2O. O átomo extra nessa molécula já torna a descrição teórica um pouco mais difícil, mas, ao mesmo tempo, os físicos esperam obter novos insights, por exemplo, na chamada migração de carga dentro das moléculas, que desempenha um papel importante no processo químico.

Em princípio, deveria ser possível usar pulsos de laser de attossegundo não apenas para estudar esses processos, mas também para dirigi-los deliberadamente e, assim, controlar as reações químicas em detalhes. Agora mesmo, Contudo, tal attoquímica ainda está muito longe, como Jannie Vos aponta:"Em teoria, tudo isso é muito empolgante, mas ainda há muito a ser feito antes de chegarmos lá. "