Misturando feixes de laser e raios X

Dois feixes de luz de lanternas não serão influenciados um pelo outro quando se cruzarem. Isso é diferente para pulsos de laser muito intensos que se encontram em um “material não linear” adequado – aqui, os feixes podem ser desviados e novos feixes de cores diferentes podem ser criados em um processo chamado de mistura de ondas. A observação de tais fenômenos de mistura de ondas permite que os pesquisadores tirem conclusões sobre transições eletrônicas dentro do material não linear que de outra forma seriam invisíveis. Pesquisadores do MBI e do DESY agora observaram como um feixe de raios X interage com um feixe de laser, abrindo caminho para estudos seletivos de átomos de processos ultrarrápidos no futuro. Crédito:Anne Riemann, Forschungsverbund Berlin e.V.

Ao contrário das espadas de laser fictícias, os feixes de laser reais não interagem uns com os outros quando se cruzam - a menos que os feixes se encontrem dentro de um material adequado que permita uma interação não linear entre luz e matéria. Nesse caso, a mistura de ondas pode dar origem a feixes com cores e direções alteradas.
Os processos de mistura de ondas entre diferentes feixes de luz são uma pedra angular do campo da óptica não linear, que se estabeleceu firmemente desde que os lasers se tornaram amplamente disponíveis. Dentro de um material adequado, como cristais particulares, dois feixes de laser podem "sentir a presença um do outro". Nesse processo, energia e momento podem ser trocados, dando origem a feixes de laser adicionais que emergem da zona de interação em diferentes direções e com diferentes frequências, vistos na faixa espectral visível como cores diferentes. Esses efeitos são comumente usados para projetar e realizar novas fontes de luz laser.

A análise dos feixes de luz emergentes em fenômenos de mistura de ondas fornece insights sobre a natureza do material no qual ocorre o processo de mistura de ondas. Essa espectroscopia baseada em mistura de ondas permite que os pesquisadores entendam os meandros da estrutura eletrônica de uma amostra e como a luz pode excitar e interagir com o material. Até agora, no entanto, essas abordagens quase não foram usadas fora da faixa espectral do visível ou do infravermelho.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Born (MBI), em Berlim, e do DESY, em Hamburgo, observou um novo tipo de processo de mistura de ondas envolvendo raios-X suaves. Sobrepondo pulsos ultracurtos de raios X suaves e radiação infravermelha em um único cristal de fluoreto de lítio (LiF), eles viram como a energia de dois fótons infravermelhos foi transferida para ou do fóton de raios X, alterando a "cor" dos raios X em um processo chamado não linear de terceira ordem.

Eles não apenas observaram esse processo específico com raios X pela primeira vez, mas também conseguiram mapear sua eficiência ao alterar a cor dos raios X recebidos. Acontece que os sinais de mistura só são detectáveis quando o processo envolve um elétron da camada interna de um átomo de lítio sendo promovido a um estado em que esse elétron está fortemente ligado à vacância que deixou para trás – um estado conhecido como éxciton. Além disso, a comparação com a teoria mostra que uma transição "oticamente proibida" de um elétron da camada interna contribui para o processo de mistura de ondas.

Por meio da análise desse processo ressonante de mistura de quatro ondas, os pesquisadores obtiveram uma imagem detalhada de onde o elétron opticamente excitado viaja em seu tempo de vida muito curto. "Somente se o elétron excitado estiver localizado na vizinhança imediata do buraco que deixou para trás, podemos observar o sinal de mistura de quatro ondas", diz Robin Engel, Ph.D. aluno envolvido no trabalho, "e porque usamos uma cor específica de raios-X, sabemos que esse buraco está muito próximo do núcleo atômico do átomo de lítio".

Devido à capacidade dos raios-X de excitar seletivamente os elétrons da camada interna nas diferentes espécies atômicas em um material, a abordagem demonstrada permite que os pesquisadores rastreiem os elétrons que se movem em moléculas ou sólidos depois de serem estimulados por um pulso de laser ultrarrápido. Esses processos – elétrons se movendo em direção a diferentes átomos depois de serem excitados pela luz – são etapas cruciais em reações fotoquímicas ou aplicações como coleta de luz, por exemplo, via fotovoltaica ou geração direta de combustível solar.

"Como nossa abordagem de espectroscopia de mistura de ondas pode ser dimensionada para energias de fótons muito mais altas em lasers de raios X, muitos átomos diferentes da tabela periódica podem ser excitados seletivamente. Dessa forma, esperamos que seja possível rastrear a presença transitória de elétrons em muitos átomos diferentes de um material mais complexo, dando uma nova visão sobre esses importantes processos", explica Daniel Schick, pesquisador do MBI.

A pesquisa foi publicada na revista Science Advances . + Explorar mais