Usando pulsos de laser de raios X um milhão de vezes mais curtos do que um piscar de olhos, os cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia capturaram o movimento ultrarrápido dos elétrons nos materiais, fornecendo novos insights sobre como ocorrem as interações subatômicas.

Os pulsos de alta energia, produzidos pelo laser de elétrons livres de raios X do SLAC, a Linac Coherent Light Source (LCLS), permitiram aos pesquisadores "ver" os núcleos atômicos em um material semicondutor vibrando e balançando, e observar os elétrons correndo e circulando. ao redor deles quase à velocidade da luz.

As observações podem ajudar os cientistas a desenvolver novos materiais com propriedades electrónicas personalizadas, tais como as necessárias para uma electrónica mais poderosa, processamento de dados de alta velocidade e novos dispositivos optoelectrónicos.

A equipe de pesquisa do SLAC usou uma linha de luz especial no LCLS chamada instrumento Pump-Probe de raios X, que foi projetada para observar processos subatômicos em câmera lenta. A linha de luz possui uma “câmera” especial de raios X para capturar com precisão as posições e movimentos dos elétrons e núcleos nos materiais.

Os pesquisadores enviaram um pulso curto e intenso de raios X para uma amostra de arsenieto de gálio, um material semicondutor, para tirar alguns dos elétrons de suas órbitas ao redor dos núcleos atômicos. No instante seguinte à chegada dos raios X, um segundo impulso de raios X, mais fraco, iluminou a amostra à medida que os electrões se reorganizavam, fornecendo instantâneos dos átomos e das suas nuvens electrónicas em turbilhão.

"Descobrimos que alguns dos elétrons reagiram aos pulsos de raios X mais rapidamente do que o esperado", disse Jun-Sik Lee, cientista da equipe do SLAC e coautor do estudo. “Eles estavam essencialmente surfando na onda criada pelo pulso de raios X, ganhando energia extra e acelerando a velocidades incrivelmente rápidas”.

"Ver os elétrons surfando foi uma surpresa, mas quando analisamos cuidadosamente nossas imagens percebemos que não deveria ter sido", disse Mike Dunne, diretor da Linac Coherent Light Source (LCLS), co-autor do estudo. “Foi simplesmente um daqueles casos em que o comportamento que observamos foi previsto por outra pessoa – neste caso, por teóricos há cerca de 70 anos”.