A dinâmica dos elétrons muda ligeiramente em cada interação com um fóton. Os físicos da ETH Zurich já mediram essa interação em sua forma indiscutivelmente mais pura - registrando os atrasos de tempo na escala de attossegundo associados às transições de um fóton em um elétron não ligado.

O efeito fotoelétrico, pelo qual fótons colidindo com a matéria causam a emissão de elétrons, é um dos efeitos quintessenciais da mecânica quântica. Einstein explicou a famosa explicação do mecanismo-chave subjacente ao fenômeno em 1905, ganhando-lhe o Prêmio Nobel de Física de 1921. Ele construiu um conceito introduzido cinco anos antes por Max Planck:a energia eletromagnética é absorvida e emitida apenas em pacotes distintos, ou seja, em quanta. O conceito quântico revolucionou a física. O efeito fotoelétrico, por sua vez, foi explorado em detalhes cada vez maiores, e hoje é explorado em aplicações que variam de células solares a óculos de visão noturna.

Uma mudança na compreensão do efeito emergiu na última década ou assim. Os experimentos com laser tornaram possível olhar diretamente para a intrincada dinâmica quântica que se desdobra na escala de attossegundos à medida que os elétrons são removidos de seu sistema original quando interagem com a luz. Contudo, medições resolvidas no tempo do processo de fotoionização em sua forma indiscutivelmente mais pura - a absorção e emissão de fótons únicos por um único elétron não ligado - permaneceram elusivas, até agora.

Escrevendo no jornal Optica , Jaco Fuchs e colegas do grupo Ultrafast Laser Physics da Prof. Ursula Keller no Institute of Quantum Electronics, trabalhando com colaboradores nos EUA, Áustria e Espanha, relatam um experimento no qual mediram como a absorção e a emissão de fótons únicos alteram a dinâmica de um elétron que não está ligado a um núcleo atômico, mas ainda tem seu potencial Coulomb. Apresentando um novo protocolo experimental, eles descobriram que a dinâmica depende do momento angular do elétron fotoionizado. Os pesquisadores mediram um atraso de até 12 attossegundos entre os elétrons s e d que saem do hélio. Esta é uma assinatura sutil, mas inconfundível, dos efeitos subjacentes da mecânica quântica. E eles observaram fenômenos fundamentais de origem clássica, também - eles mediram mudanças de fase indicando que em elétrons-d, a propagação externa é mais lenta do que em elétrons-s. Isso pode ser explicado pela maior fração de energia rotacional e, portanto, por uma menor energia radial em elétrons-d.

Extraindo a contribuição de fótons individuais

Esses resultados marcam vários primeiros. O grupo Keller foi pioneiro em várias áreas da atociência, incluindo a medição de atrasos de attossegundo na fotoionação que surgem conforme os elétrons fotoexcitados se propagam no potencial do íon pai, resultando em um atraso de grupo mensurável. A medição desses atrasos na escala de attossegundo normalmente envolve pelo menos dois fótons, tornando excepcionalmente difícil extrair a contribuição de fótons individuais. Fuchs et al. agora encontraram uma maneira de fazer exatamente isso.

No caso deles, dois fótons estão envolvidos, um na faixa do ultravioleta extremo (XUV) e o outro na faixa do infravermelho (IR). Mas eles conceberam um procedimento de adaptação que lhes permitiu extrair de seus dados de alta qualidade as amplitudes e fases relativas de todas as vias quânticas através das quais a fotoionação prossegue em seu sistema. Desta maneira, eles foram capazes de isolar as contribuições dos fótons infravermelhos, que são aqueles que induzem transições em um elétron não ligado (enquanto os fótons XUV ionizam o átomo ao transferir um elétron de um estado ligado para o contínuo).

Medição direta de atrasos decorrentes de Bremsstrahlung

Os físicos da ETH não apenas obtiveram acesso aos atrasos de tempo de qualquer transição de um fóton - essas também são as primeiras medições de tais atrasos para a absorção e emissão de fótons por elétrons não ligados, um fenômeno conhecido como (inverso) Bremsstrahlung. Os resultados experimentais são bem reproduzidos por dois métodos teóricos independentes empregados por Fuchs e colegas. Essas simulações também fornecem evidências de que alguns dos efeitos observados são universais, no sentido de que são independentes da espécie atômica do íon pai.

Este trabalho ilustra que 115 anos após o trabalho seminal de Einstein, o efeito fotoelétrico não para de inspirar. As ferramentas introduzidas por Fuchs e colegas de trabalho fornecem novos recursos experimentais para estudar a dinâmica da fotoionização, tanto em átomos quanto em pequenas moléculas. Esses estudos podem, por sua vez, fornecer uma compreensão mais completa dos atrasos de fotoemissão, em particular na presença de interações na faixa intermediária a longa.