Com que velocidade os elétrons dentro de uma molécula se movem? Bem, é tão rápido que leva apenas alguns attossegundos (um bilionésimo de bilionésimo de segundo) para pular de um átomo para outro. Pisque e você perdeu - milhões de bilhões de vezes. Portanto, medir esses processos ultrarrápidos é uma tarefa assustadora.

Cientistas do Australian Attosecond Science Facility e do Centre for Quantum Dynamics da Griffith University em Brisbane, Austrália, liderados pelo professor Robert Sang e pelo professor Igor Litvinyuk, desenvolveram uma nova técnica interferométrica capaz de medir atrasos de tempo com zeptosegundos (um trilionésimo de bilionésimo de um segunda) resolução.

Eles usaram essa técnica para medir o intervalo de tempo entre os pulsos de luz ultravioleta extremos emitidos por dois isótopos diferentes de moléculas de hidrogênio – H 2 e D 2 – interagindo com pulsos intensos de laser infravermelho.

Esse atraso foi encontrado em menos de três attossegundos (um quintilionésimo de segundo de duração) e é causado por movimentos ligeiramente diferentes dos núcleos mais leves e mais pesados.

Este estudo foi publicado na Ultrafast Science .

O primeiro autor, Dr. Mumta Hena Mustary, explica: "Essa resolução de tempo sem precedentes é obtida por meio de uma medição interferométrica - sobrepondo as ondas de luz atrasadas e medindo seu brilho combinado".

As próprias ondas de luz foram geradas por moléculas expostas a intensos pulsos de laser no processo chamado geração de alto harmônico (HHG).

HHG ocorre quando um elétron é removido de uma molécula por um forte campo de laser, é acelerado pelo mesmo campo e então se recombina com o íon liberando a energia na forma de radiação ultravioleta extrema (XUV). Tanto a intensidade quanto a fase dessa radiação XUV HHG são sensíveis à dinâmica exata das funções de onda dos elétrons envolvidas nesse processo - todos os diferentes átomos e moléculas emitem radiação HHG de maneira diferente.

Embora seja relativamente simples medir a intensidade espectral de HHG - um simples espectrômetro de grade pode fazer isso - medir a fase de HHG é uma tarefa muito mais difícil. E a fase contém as informações mais relevantes sobre o tempo de várias etapas do processo de emissão.

Para medir esta fase, é comum realizar uma chamada medição interferométrica quando duas réplicas da onda com retardo finamente controlado são feitas para se sobrepor (ou interferir) uma na outra. Eles podem interferir de forma construtiva ou destrutiva, dependendo do atraso e da diferença de fase relativa entre eles.

Essa medição é realizada por um dispositivo chamado interferômetro. É muito difícil construir um interferômetro para luz XUV, em particular para produzir e manter um atraso estável, conhecido e ajustável entre dois pulsos XUV.

Os pesquisadores de Griffith resolveram esse problema aproveitando o fenômeno conhecido como fase Gouy – quando a fase de uma onda de luz é deslocada de uma certa maneira ao passar por um foco.

Para seus experimentos, os pesquisadores usaram dois isótopos diferentes de hidrogênio molecular – a molécula mais simples da natureza. Os isótopos - hidrogênio leve (H 2 ) e pesado (D 2 ) - diferem apenas na massa dos núcleos - prótons em H 2 e deutérios em D 2 . Todo o resto, incluindo a estrutura eletrônica e as energias, são idênticos.

Devido à sua massa maior, os núcleos em D 2 movem-se ligeiramente mais devagar que os de H 2 . Como os movimentos nuclear e eletrônico nas moléculas estão acoplados, o movimento nuclear afeta a dinâmica das funções de onda do elétron durante o processo HHG, resultando em uma pequena mudança de fase ??H 2 -D 2 entre os dois isótopos.

Esta mudança de fase é equivalente a um atraso de tempo ?t = ??H 2 -D 2 /? onde ? é a frequência da onda XUV. Os cientistas da Griffith mediram esse atraso de tempo de emissão para todos os harmônicos observados no espectro HHG – era quase constante e ligeiramente abaixo de 3 attossegundos.

Para entender o resultado, os pesquisadores da Griffith tiveram o apoio de teóricos da Universidade Jiao Tong de Xangai, em Xangai, na China, liderados pelo professor Feng He.

Os cientistas da SJTU usaram os métodos teóricos mais avançados para modelar de forma abrangente o processo HHG nos dois isótopos de hidrogênio molecular, incluindo todos os graus de liberdade para movimento nuclear e eletrônico em vários níveis de aproximação.

Sua simulação reproduziu bem os resultados experimentais, e esse acordo entre teoria e experimento deu à equipe a confiança de que o modelo capturou as características mais essenciais do processo físico subjacente, portanto, ajustar os parâmetros e níveis de aproximação do modelo pode determinar a importância relativa de vários efeitos.

Embora a dinâmica real seja bastante complexa, descobriu-se que a interferência de dois centros durante a etapa de recombinação de elétrons é o efeito dominante.

“Como o hidrogênio é a molécula mais simples da natureza e pode ser modelado teoricamente com alta precisão, ele foi usado nesses experimentos de prova de princípio para benchmarking e validação do método”, disse o professor Litvinyuk.

"No futuro, esta técnica pode ser usada para medir a dinâmica ultrarrápida de vários processos induzidos pela luz em átomos e moléculas com resolução de tempo sem precedentes."

O estudo, "Attosecond Delays of High-Harmonic Emissions from Hydrogen Isotopes Measured by XUV Interferometer", foi publicado na Ultrafast Science .