Com o sistema ultrarrápido do Centro de Física da Universidade de Kiel (Alemanha), o comportamento dos elétrons pode ser filmado ao vivo. Crédito:Jürgen Haacks, CAU
Durante a conversão de luz em eletricidade, como em células solares, uma grande parte da energia luminosa de entrada é perdida. Isso se deve ao comportamento dos elétrons dentro dos materiais. Se a luz atingir um material, estimula os elétrons energeticamente por uma fração de segundo, antes de passarem a energia de volta ao meio ambiente. Por causa de sua duração extremamente curta de alguns femtossegundos - um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo - esses processos quase não foram explorados até agora. Uma equipe do Instituto de Física Experimental e Aplicada da Universidade de Kiel (CAU), sob a direção do Professor Michael Bauer e Professor Kai Roßnagel, agora conseguiu investigar a troca de energia dos elétrons com seu ambiente em tempo real, e, assim, distinguir fases individuais. Em seu experimento, eles irradiaram grafite com um intenso, pulso de luz ultracurta e filmou o impacto sobre o comportamento dos elétrons. Uma compreensão abrangente dos processos fundamentais envolvidos pode ser importante no futuro para aplicações em componentes optoeletrônicos ultrarrápidos. A equipe de pesquisa publicou essas descobertas na edição atual da revista Cartas de revisão física .
As propriedades de um material dependem do comportamento de seus elétrons e átomos constituintes. Um modelo básico para descrever o comportamento dos elétrons é o conceito do chamado gás de Fermi, em homenagem ao vencedor do Prêmio Nobel Enrico Fermi. Neste modelo, os elétrons no material são considerados um sistema gasoso. Desta maneira, é possível descrever suas interações entre si. Para seguir o comportamento dos elétrons com base nesta descrição em tempo real, a equipe de pesquisa de Kiel desenvolveu um experimento para investigações com resolução temporal extrema:se uma amostra de material é irradiada com um pulso de luz ultrarrápido, os elétrons são estimulados por um curto período. Um segundo, O pulso de luz atrasado libera alguns desses elétrons do sólido. Uma análise detalhada destes permite tirar conclusões sobre as propriedades eletrônicas do material após a primeira estimulação com luz. Uma câmera especial filma como a energia da luz introduzida é distribuída através do sistema eletrônico.
Desenvolvido em Kiel:um dos sistemas mais rápidos do mundo
Com seus raios de luz ultrarrápidos, o sistema Kiel é um dos mais rápidos e poderosos do mundo. Crédito:Jürgen Haacks, CAU
A característica especial do sistema Kiel é sua resolução temporal extremamente alta de 13 femtossegundos. Isso a torna uma das câmeras de elétrons mais rápidas do mundo. "Graças à duração extremamente curta dos pulsos de luz usados, somos capazes de filmar processos ultrarrápidos ao vivo. Nossas investigações mostraram que há uma quantidade surpreendente de coisas acontecendo aqui, "explicou Michael Bauer, professor de dinâmica ultrarrápida do CAU. Ele desenvolveu o sistema, junto com o grupo de trabalho de Kai Roßnagel, professor de pesquisa de estado sólido com radiação síncrotron.
Em seu experimento atual, a equipe de pesquisa irradiou uma amostra de grafite com um pulso de luz intensa com duração de apenas sete femtossegundos. O grafite é caracterizado por uma estrutura eletrônica simples. Assim, processos fundamentais podem ser observados de forma particularmente clara. No experimento, as partículas de luz impactantes - também chamadas de fótons - perturbaram o equilíbrio térmico dos elétrons. Este equilíbrio descreve uma condição na qual uma temperatura precisamente definida prevalece entre os elétrons. A equipe de pesquisa de Kiel então filmou o comportamento dos elétrons, até que o equilíbrio fosse restaurado após cerca de 50 femtossegundos.
As gravações de filme mostram pela primeira vez como a distribuição de energia em uma amostra de grafite muda no período ultracurto de 50 femtossegundos. Crédito:Phys. Rev. Lett
Numerosas interações em um período extremamente curto
Ao fazer isso, os cientistas observaram numerosos processos de interação de elétrons excitados com os fótons impactantes, bem como átomos e outros elétrons no material. Com base na filmagem, eles poderiam até distinguir diferentes fases dentro deste período ultracurto:em primeiro lugar, os elétrons irradiados absorveram a energia luminosa dos fótons na grafite, e, assim, transformou-o em energia elétrica. Em seguida, a energia foi distribuída para outros elétrons, antes de passarem para os átomos circundantes. Neste último processo, a energia elétrica é, em última análise, permanentemente convertida em calor; o grafite aquece.
Os experimentos da equipe de pesquisa de Kiel também confirmam as previsões teóricas pela primeira vez. Eles possibilitam uma nova perspectiva sobre um tema de pesquisa que dificilmente tem sido investigado neste curto espaço de tempo. "Através de nossas novas possibilidades técnicas, estes fundamentais, processos complexos podem ser observados diretamente pela primeira vez, "disse Bauer. Esta abordagem também pode ser aplicada no futuro para investigar e otimizar movimentos ultrarrápidos de elétrons agitados por luz em materiais com propriedades ópticas promissoras.
