Explorando o ultrapequeno e o ultrarrápido por meio de avanços na ciência do attosegundo
Em dois experimentos recentes, os pesquisadores do SLAC demonstraram novos métodos para usar pulsos de attossegundos em experimentos de sonda de bomba e gerar pulsos de raios X de attossegundos de alta potência. Crédito:Greg Stewart/Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia está desenvolvendo novos métodos para investigar os mínimos detalhes do universo a velocidades extraordinárias.
Em pesquisas anteriores, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de produzir rajadas de laser de raios X com duração de várias centenas de attossegundos (ou bilionésimos de bilionésimo de segundo). Este método, chamado geração de pulso de attosegundo aprimorado por laser de raios X (XLEAP), permite aos cientistas investigar como os elétrons girando em torno das moléculas iniciam processos-chave em biologia, química, ciência de materiais e muito mais.
Agora, liderada pelos cientistas do SLAC Agostino Marinelli e James Cryan, a equipe desenvolveu novas ferramentas para usar esses pulsos de attossegundos de maneiras inovadoras:o primeiro uso de pulsos de attosegundos em experimentos de sonda de bomba e a produção dos mais poderosos pulsos de raios X de attossegundos já relatado. Os experimentos, conduzidos no laser de elétrons livres de raios X Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC e publicados em dois artigos na Nature Photonics , poderia revolucionar campos que vão da química à ciência dos materiais, oferecendo insights sobre os movimentos mais rápidos dentro dos átomos e moléculas.
Um novo método para medir fenômenos ultrarrápidos
No primeiro desenvolvimento, os pesquisadores introduziram uma nova abordagem para conduzir experimentos de "sonda de bomba" com pulsos de raios X de attossegundos. Esses experimentos, que visam medir eventos ultrarrápidos menores que um trilionésimo de segundo, envolvem a excitação de átomos com um pulso de "bomba" seguido de uma sondagem com um segundo pulso para observar as mudanças resultantes.
Essa técnica permitiu aos cientistas rastrear e medir o movimento dos elétrons dentro dos átomos e moléculas – um processo crítico que influencia as reações químicas, as propriedades dos materiais e as funções biológicas. Eles conseguiram isso gerando pares de pulsos de laser em duas cores e controlando meticulosamente o atraso entre eles para apenas 270 attosegundos.
“Esta capacidade abre novas oportunidades para estudar a interação da luz com a matéria ao nível mais fundamental”, disse Cryan. "É emocionante porque evoluiu para uma ferramenta prática, permitindo-nos ver a dinâmica dos electrões que antes estavam fora do nosso alcance. Estamos agora a observar processos que ocorrem em escalas de tempo que se aproximam do tempo que a luz demora a atravessar uma molécula."
Num artigo recente, os investigadores usaram esta técnica para observar electrões movendo-se em tempo real na água líquida. Estudos futuros aplicarão este método a vários sistemas moleculares, refinando a precisão destas medições e expandindo a sua aplicação em disciplinas científicas.
Criando pulsos de attosegundos de alta potência
O segundo desenvolvimento concentrou-se na geração de pulsos de attossegundos de alta potência usando uma técnica conhecida como “super-radiância”, alcançando níveis de potência de quase um terawatt. Este processo envolveu um efeito cascata em um laser de elétrons livres de raios X, amplificando significativamente a potência dos pulsos.
A intensidade elevada destes pulsos permite aos cientistas explorar estados únicos da matéria e testemunhar fenómenos que ocorrem em escalas de tempo ainda mais curtas.
"Estes são os pulsos de raios X de attossegundos mais poderosos já relatados. A intensidade desses pulsos nos permite explorar regimes inteiramente novos da ciência dos raios X", disse Marinelli. "Nós ultrapassamos os limites da energia do pulso de raios X, alcançando níveis de potência que abrem novos reinos experimentais. Este resultado foi alcançado graças a um tipo especial de onda que mantém sua forma e velocidade à medida que se propaga através do grupo de elétrons, dramaticamente aumentando a intensidade e a energia dos nossos pulsos."
Os investigadores planeiam refinar ainda mais esta tecnologia para melhorar a estabilidade e o controlo destes impulsos de alta potência, visando alargar a sua aplicação em diversas áreas científicas.
Impulsionando a exploração científica
Estes desenvolvimentos ultrapassam os limites das nossas capacidades de observação e medição, preparando o terreno para futuras descobertas científicas que poderão transformar a nossa compreensão do mundo natural.
A observação de átomos e elétrons em movimento facilita o projeto de novos materiais com propriedades personalizadas para tecnologia, energia e outros campos. Compreender o movimento dos elétrons durante as reações químicas também pode facilitar princípios inteligentes de design químico.
"Esses estudos não apenas aprofundam nossa compreensão da física, mas também abrem caminho para inovações futuras que poderiam transformar nossa compreensão dos processos acionados por elétrons", disse Cryan. "Cada pulso de attosegundo que geramos oferece um novo vislumbre dos blocos de construção da natureza, revelando dinâmicas anteriormente escondidas da vista. Prevemos muitas outras descobertas emocionantes pela frente."
