Pesquisadores do Departamento de Física da ETH Zurich mediram como os elétrons nos chamados metais de transição são redistribuídos em uma fração de um ciclo de oscilação óptica. Eles observaram os elétrons se concentrando em torno dos átomos de metal em menos de um femtossegundo. Esse reagrupamento pode influenciar propriedades macroscópicas importantes desses compostos, como condutividade elétrica, magnetização ou características ópticas. O trabalho, portanto, sugere uma rota para controlar essas propriedades em escalas de tempo extremamente rápidas.

A distribuição de elétrons em metais de transição, que representam uma grande parte da tabela periódica de elementos químicos, é responsável por muitas de suas propriedades interessantes usadas em aplicativos. As propriedades magnéticas de alguns dos membros deste grupo de materiais são, por exemplo, explorado para armazenamento de dados, enquanto outros exibem excelente condutividade elétrica. Os metais de transição também têm um papel decisivo para novos materiais com comportamento mais exótico que resulta de fortes interações entre os elétrons. Esses materiais são candidatos promissores para uma ampla gama de aplicações futuras.

Em seu experimento, cujos resultados eles relatam em um artigo publicado hoje em Física da Natureza , Mikhail Volkov e colegas do grupo Ultrafast Laser Physics da Prof. Ursula Keller expuseram folhas finas dos metais de transição titânio e zircônio a curtos pulsos de laser. Eles observaram a redistribuição dos elétrons registrando as mudanças resultantes nas propriedades ópticas dos metais no domínio ultravioleta extremo (XUV). A fim de ser capaz de acompanhar as mudanças induzidas com resolução temporal suficiente, Pulsos XUV com duração de apenas algumas centenas de attossegundos (10 ^-18 s) foram empregados na medição. Ao comparar os resultados experimentais com modelos teóricos, desenvolvido pelo grupo do Prof. Angel Rubio no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo, os pesquisadores estabeleceram que a mudança ocorreu em menos de um femtossegundo (10 ^-15 s) é devido a uma modificação da localização do elétron na vizinhança dos átomos de metal. A teoria também prevê que em metais de transição com camadas externas de elétrons mais fortemente preenchidas um movimento oposto, isto é, uma deslocalização dos elétrons - é de se esperar.

Controle ultrarrápido das propriedades do material

A distribuição de elétrons define os campos elétricos microscópicos dentro de um material, que não apenas mantêm um sólido unido, mas também determinam em grande medida suas propriedades macroscópicas. Ao mudar a distribuição de elétrons, pode-se, portanto, controlar as características de um material também. O experimento de Volkov et al. demonstra que isso é possível em escalas de tempo consideravelmente mais curtas do que o ciclo de oscilação da luz visível (cerca de dois femtossegundos). Ainda mais importante é a constatação de que as escalas de tempo são muito mais curtas do que o chamado tempo de termalização, que é o tempo dentro do qual os elétrons limpariam os efeitos de um controle externo da distribuição de elétrons por meio de colisões entre eles e com a rede cristalina.

Surpresa inicial

Inicialmente, foi uma surpresa que o pulso de laser levaria a um aumento na localização de elétrons no titânio e no zircônio. Uma tendência geral na natureza é que, se os elétrons ligados forem fornecidos com mais energia, eles se tornarão menos localizados. A análise teórica, que apóia as observações experimentais, mostraram que a localização aumentada da densidade do elétron é um efeito líquido resultante do preenchimento mais forte dos orbitais d parcialmente preenchidos característicos dos átomos do metal de transição. Para metais de transição que têm orbitais d que já estão mais da metade preenchidos (ou seja, elementos mais à direita na tabela periódica), o efeito líquido é o oposto e corresponde a uma deslocalização da densidade eletrônica.

Rumo a componentes eletrônicos mais rápidos

Embora o resultado agora relatado seja de natureza fundamental, os experimentos demonstram a possibilidade de uma modificação muito rápida das propriedades dos materiais. Tais modulações são utilizadas em eletrônica e optoeletrônica para processamento de sinais eletrônicos ou transmissão de dados. Enquanto os componentes presentes processam fluxos de sinal com frequências no gigahertz (10 ⁹ Intervalo Hz), os resultados de Volkov e colegas de trabalho indicam a possibilidade de processamento de sinal em frequências petahertz (10 ¹⁵ Hz). Essas descobertas bastante fundamentais podem, portanto, informar o desenvolvimento das próximas gerações de componentes cada vez mais rápidos, e através disso indiretamente encontram seu caminho em nossa vida diária.