A energia flui através de um sistema de átomos ou moléculas por uma série de processos, como transferências, emissões, ou decadência. Você pode visualizar alguns desses detalhes como passar uma bola (a energia) para outra pessoa (outra partícula), exceto que a passagem acontece mais rápido do que um piscar de olhos, tão rápido que os detalhes sobre a troca não são bem compreendidos. Imagine a mesma troca acontecendo em uma sala movimentada, com outros esbarrando em você e geralmente complicando e retardando a passagem. Então, imagine como a troca seria muito mais rápida se todos recuassem e criassem uma bolha segura para que o passe acontecesse sem obstáculos.

Uma colaboração internacional de cientistas, incluindo a professora de física da UConn Nora Berrah e o pesquisador de pós-doutorado e autor principal Aaron LaForge, testemunhou esse aumento mediado por bolhas entre dois átomos de hélio usando lasers ultrarrápidos. Seus resultados agora são publicados em Revisão Física X.

Medir a troca de energia entre os átomos requer medições quase inconcebivelmente rápidas, diz LaForge.

"A razão pela qual escalas de tempo mais curtas são necessárias é que, quando você olha para sistemas microscópicos, como átomos ou moléculas, seu movimento é extremamente rápido, aproximadamente na ordem de femtossegundos (10 ^-15 s), que é o tempo que leva para mover alguns angstroms (10 ^-10 m), "LaForge diz.

Laforge explica que essas medições são feitas com o chamado laser de elétrons livres, onde os elétrons são acelerados quase à velocidade da luz, em seguida, usando conjuntos de ímãs, os elétrons são forçados a ondular, o que faz com que eles liberem rajadas de luz de comprimento de onda curto. "Com pulsos de laser ultrarrápidos, você pode resolver com o tempo um processo para descobrir com que rapidez ou lentidão algo ocorre, "diz LaForge.

A primeira etapa do experimento foi iniciar o processo, diz LaForge:"Os físicos investigam e perturbam um sistema para medir sua resposta, tirando instantâneos rápidos da reação. essencialmente, pretendemos fazer um filme molecular da dinâmica. Nesse caso, nós iniciamos a formação de duas bolhas em uma nanogotícula de hélio. Então, usando um segundo pulso, determinamos a rapidez com que eles foram capazes de interagir. "

Com um segundo pulso de laser, os pesquisadores mediram como as bolhas interagem:"Depois de excitar os dois átomos, duas bolhas são formadas em torno dos átomos. Então, os átomos poderiam se mover e interagir uns com os outros sem ter que empurrar contra os átomos ou moléculas circundantes, "diz LaForge.

Nanogotículas de hélio foram usadas como sistema modelo, uma vez que o hélio é um dos átomos mais simples da tabela periódica, que LaForge explica é uma consideração importante. Mesmo que haja cerca de um milhão de átomos de hélio em uma nanogotícula, a estrutura eletrônica é relativamente simples, e as interações são mais fáceis de elucidar com menos elementos no sistema para contabilizar.

"Se você for para sistemas mais complexos, as coisas podem ficar mais complicadas rapidamente. Por exemplo, até a água líquida é bem complicada, uma vez que pode haver interações dentro da própria molécula ou ela pode interagir com suas moléculas de água vizinhas, "LaForge diz.

Junto com a formação de bolhas e a dinâmica subsequente, os pesquisadores observaram a transferência de energia, ou decadência, entre os átomos excitados, que foi mais de uma ordem de magnitude mais rápida do que o esperado anteriormente - tão rápido quanto 400 femtossegundos. Inicialmente, eles ficaram um pouco perplexos sobre como explicar um processo tão rápido. Eles abordaram colegas físicos teóricos que poderiam realizar simulações de última geração para entender melhor o problema.

"Os resultados de nossa investigação não foram claros, mas a colaboração com teóricos nos permitiu definir e explicar o fenômeno, "diz LaForge.

Ele ressalta que um aspecto estimulante da pesquisa é que podemos ampliar ainda mais a compreensão dos fundamentos desses processos ultrarrápidos e abrir caminho para novas pesquisas. A grande inovação é ser capaz de criar um meio de medir as interações por femtossegundo ou mesmo attossegundo (10 ^-18 s) prazos. "É muito gratificante quando você pode realizar um experimento bastante fundamental que também pode ser aplicado a algo mais complexo, "diz LaForge.

O processo que os pesquisadores observaram é denominado Decaimento Coulômbico Interatômico (CID), e é um meio importante para átomos ou moléculas compartilharem e transferirem energia. As bolhas aprimoraram o processo, demonstrando como o ambiente pode alterar a velocidade com que um processo ocorre. Uma vez que o ICD desempenha um papel importante na forma como os tecidos vivos reagem à exposição à radiação, criando elétrons de baixa energia que podem causar danos nos tecidos, essas descobertas são de importância biológica, porque é provável que bolhas semelhantes se formem em outros fluidos, como água, e com outras moléculas como proteínas.

"Compreender a escala de tempo da transferência de energia em escala microscópica é essencial para vários campos científicos, como física, química, e biologia. O desenvolvimento bastante recente de intensa, a tecnologia de laser ultrarrápida permite investigações resolvidas no tempo com detalhes sem precedentes, abrindo uma grande quantidade de novas informações e conhecimentos, "diz Berrah.