A luz do laser pode mudar radicalmente as propriedades dos materiais sólidos, tornando-os supercondutores ou magnéticos em milionésimos de bilionésimo de segundo. A luz intensa causa mudanças fundamentais e imediatas em um sólido ao "agitar" sua estrutura de rede atômica e mover os elétrons. Mas o que exatamente está acontecendo nesse nível elementar? Como esses átomos e elétrons realmente se movem?
Agora, uma equipe teórica do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo encontrou uma nova maneira de iluminar esses movimentos atômicos. Escrevendo no PNAS, os pesquisadores descrevem como um pulso de laser gera emissão de luz em frequências mais altas do material, os chamados harmônicos mais altos. Esta luz de alta energia, no entanto, não permanece a mesma, mas muda a cada movimento da rede. À medida que os altos harmônicos mudam de intensidade, eles fornecem "instantâneos" dos movimentos dos átomos e elétrons em cada momento exato.

A equipe estudou uma monocamada de nitreto de boro hexagonal (hBN) com apenas um átomo de espessura, cuja estrutura pode ser excitada para vibrar em escalas de tempo de dezenas de femtossegundos. Um primeiro pulso de laser "bomba" atinge o material, fazendo os átomos se moverem em uníssono. Subsequentemente, um segundo pulso de laser infravermelho excita ainda mais os elétrons, de modo que eles causam a emissão de luz em novas frequências – os altos harmônicos. Estes contêm as informações subjacentes sobre as vibrações da rede (também conhecidas como fônons). Ao analisá-los, os cientistas obtêm novos insights detalhados sobre esses movimentos atômicos.

Publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , as descobertas da equipe representam um grande passo à frente na compreensão das mudanças fundamentais em um material sólido enquanto ele é irradiado por um laser intenso. É também um método altamente eficiente porque até agora os pesquisadores precisavam de fontes de luz muito mais avançadas para observar esses movimentos elementares.

Além disso, a equipe mostrou que, uma vez que os átomos começam a vibrar, a interação entre o material e o pulso inicial do laser muda com a fase do próprio laser. Isso significa que os cientistas podem identificar exatamente qual movimento na rede foi desencadeado por qual fase do ciclo óptico do laser, como se estivessem ajustando um cronômetro para aquele momento específico. Dito de outra forma:o trabalho da equipe produziu uma técnica espectroscópica altamente avançada com resolução temporal extrema. Dentro dessa abordagem, os movimentos da rede podem ser mapeados para um único femtosegundo – mas sem a necessidade de raios-X de alta energia ou pulsos de attossegundo, que são muito mais difíceis de empregar.

“O principal impacto deste trabalho é que estamos formando um ponto de partida para entender como os fônons desempenham um papel nas interações não lineares de matéria de luz”, diz o autor principal Ofer Neufeld, do Departamento de Teoria MPSD. “Esta abordagem nos permite investigar a dinâmica estrutural de femtossegundos em sólidos, incluindo transições de fase, fases vestidas da matéria e também acoplamento entre elétrons e fônons”. + Explorar mais

Elétrons de alta energia sincronizados com pulso de laser ultrarrápido para investigar como os estados vibracionais dos átomos mudam com o tempo