Franjas de interferência dependentes do tempo do ultrarrápido Efeito Kapitza Dirac. Um pacote de ondas de elétrons é exposto a dois pulsos de laser ultracurtos de contrapropagação. O intervalo de tempo de trás para frente é de 10 pico segundos. Crédito:Universidade Goethe Frankfurt am Main Uma das interações mais fundamentais na física é a dos elétrons e da luz. Numa experiência na Universidade Goethe de Frankfurt, os cientistas conseguiram agora observar pela primeira vez o que é conhecido como efeito Kapitza-Dirac em resolução temporal total. Este efeito foi postulado pela primeira vez há mais de 90 anos, mas só agora os seus mais finos detalhes vêm à tona.
Foi uma das maiores surpresas da história da ciência:nos primórdios da física quântica, há cerca de 100 anos, os estudiosos descobriram que as partículas que constituem a nossa matéria sempre se comportam como ondas. Assim como a luz pode se espalhar em uma fenda dupla e produzir padrões de dispersão, os elétrons também podem exibir efeitos de interferência.
Em 1933, os dois teóricos Piotr Kapitza e Paul Dirac provaram que um feixe de elétrons é difratado até mesmo de uma onda de luz estacionária (devido às propriedades das partículas) e que efeitos de interferência como resultado das propriedades da onda são esperados.
Uma equipe germano-chinesa liderada pelo professor Reinhard Dörner da Goethe University Frankfurt conseguiu usar este efeito Kapitza-Dirac para visualizar até mesmo a evolução temporal das ondas de elétrons, conhecida como fase mecânica quântica dos elétrons. O estudo foi publicado na revista Science .
“Foi um ex-pesquisador de doutorado do nosso instituto, Alexander Hartung, quem construiu originalmente o aparato experimental”, diz Dörner. "Depois que ele saiu, Kang Lin, um colega Alexander von Humboldt que trabalhou na equipe de Frankfurt por quatro anos, conseguiu usá-lo para medir o efeito Kapitza-Dirac dependente do tempo." Para tanto, foi necessário desenvolver ainda mais a descrição teórica, já que Kapitza e Dirac não levaram em consideração especificamente a evolução temporal da fase do elétron.
Em seu experimento, os cientistas de Frankfurt dispararam primeiro dois pulsos de laser ultracurtos de direções opostas contra um gás xenônio. No ponto de cruzamento, esses pulsos de femtossegundos – um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo – produziram um campo de luz ultraforte por frações de segundo. Isso arrancou elétrons dos átomos de xenônio, ou seja, ionizou-os.
Pouco depois, os físicos dispararam um segundo par de pulsos curtos de laser contra os elétrons liberados dessa forma, que também formaram uma onda estacionária no centro. Esses pulsos eram ligeiramente mais fracos e não causaram qualquer ionização adicional. Eles foram, no entanto, agora capazes de interagir com os elétrons livres, o que pôde ser observado com a ajuda de um microscópio de reação COLTRIMS desenvolvido em Frankfurt.
“No ponto de interação, três coisas podem acontecer”, diz Dörner. "Ou o elétron não interage com a luz - ou está espalhado para a esquerda ou para a direita."
De acordo com as leis da física quântica, essas três possibilidades juntas resultam em uma certa probabilidade que se reflete na função de onda dos elétrons:o espaço semelhante a uma nuvem em que o elétron – com uma certa probabilidade – provavelmente estará, entra em colapso. , por assim dizer, em fatias tridimensionais. Aqui, a evolução temporal da função de onda e sua fase depende de quanto tempo decorre entre a ionização e o momento do impacto do segundo par de pulsos de laser.
"Isso abre muitas aplicações interessantes na física quântica. Esperamos que nos ajude a rastrear como os elétrons se transformam de partículas quânticas em partículas completamente normais no menor espaço de tempo. Já estamos planejando usá-lo para descobrir mais sobre o emaranhamento entre diferentes partículas que Einstein chamou de 'assustadoras'", diz Dörner.
