A energia flui atravanãs de um sistema de a¡tomos ou moléculas por uma sanãrie de processos, como transferaªncias, emissaµes ou decadaªncia. Vocaª pode visualizar alguns desses detalhes como passar uma bola (a energia) para outra pessoa (outra parta­cula), exceto que o passe acontece mais rápido do que um piscar de olhos, tão rápido que os detalhes sobre a troca não são bem compreendidos. Imagine a mesma troca acontecendo em uma sala movimentada, com outras pessoas esbarrando em vocêe geralmente complicando e retardando a passagem. Então, imagine como a troca seria mais rápida se todos recuassem e criassem uma bolha segura para que o passe acontecesse sem obsta¡culos.

Uma colaboração internacional de cientistas, incluindo a professora de física UConn Nora Berrah e o pesquisador de pa³s-doutorado e autor principal Aaron LaForge, testemunhou esse aumento mediado por bolhas entre dois a¡tomos de hanãlio usando lasers ultrarra¡pidos. Seus resultados foram publicados na Physical Review X.

Medir a troca de energia entre os a¡tomos requer medições quase inconcebivelmente rápidas, diz LaForge.

"A razãopela qual são necessa¡rias escalas de tempo mais curtos éque quando vocêolha para sistemas microsca³picos, como a¡tomos ou molanãculas, seu movimento éextremamente rápido, mais ou menos na ordem de femtossegundos (10 -15 s), que éo tempo que leva-los para mova alguns angstroms (10 -10 m) ", diz LaForge.

Laforge explica que essas medições são feitas com um chamado laser de elanãtrons livres , em que os elanãtrons são acelerados quase a  velocidade da luz e, em seguida, usando conjuntos de a­ma£s, os elanãtrons são forçados a ondular, o que os faz liberar rajadas de luz de curto comprimento de onda . "Com pulsos de laser ultrarra¡pidos, vocêpode resolver um processo com o tempo para descobrir com que rapidez ou lentida£o algo ocorre", diz LaForge.

O primeiro passo da experiência foi iniciar o processo, diz LaForge: "Os fa­sicos sondam e perturbam um sistema para medir a sua resposta tirando instanta¢neos rápidos da reação. Assim, essencialmente, pretendemos fazer um filme molecular da dina¢mica . Nesse caso, iniciamos primeiro a formação de duas bolhas em uma nanogota­cula de hanãlio. Em seguida, usando um segundo pulso, determinamos a rapidez com que elas eram capazes de interagir. "

Com um segundo pulso de laser, os pesquisadores mediram como as bolhas interagem: "Depois de excitar os dois a¡tomos, duas bolhas são formadas ao redor dos a¡tomos. Então, os a¡tomos poderiam se mover e interagir uns com os outros sem ter que empurrar contra os a¡tomos ou moléculas circundantes", diz LaForge.

Nanogota­culas de hanãlio foram usadas como um sistema modelo, uma vez que o hanãlio éum dos a¡tomos mais simples da tabela peria³dica, o que LaForge explica ser uma consideração importante. Mesmo que haja cerca de um milha£o de a¡tomos de hanãlio em uma nanogota­cula, a estrutura eletra´nica érelativamente simples e as interações são mais fa¡ceis de elucidar com menos elementos no sistema para explicar.

"Se vocêfor para sistemas mais complexos, as coisas podem ficar mais complicadas rapidamente. Por exemplo, atéa águala­quida ébastante complicada, já que pode haver interações dentro da própria molanãcula ou ela pode interagir com as moléculas de águavizinhas", diz LaForge.

Junto com a formação de bolhas e a dina¢mica subsequente, os pesquisadores observaram a transferaªncia de energia, ou decadaªncia, entre os a¡tomos excitados, que foi em uma ordem de magnitude mais rápida do que o esperado anteriormente - tão rápido quanto 400 femtossegundos. No ina­cio, eles ficaram um pouco perplexos sobre como explicar um processo tão rápido. Eles abordaram colegas fa­sicos teóricos que poderiam realizar simulações de última geração para entender melhor o problema.

"Os resultados de nossa investigação não foram claros, mas a colaboração com teóricos nos permitiu definir e explicar o fena´meno", diz LaForge.

Ele destaca que um aspecto estimulante da pesquisa éque podemos ampliar ainda mais a compreensão dos fundamentos desses processos ultrarra¡pidos e abrir caminho para novas pesquisas. A grande inovação éser capaz de criar um meio de medir as interações em escalas de tempo de femtossegundos ou atéattossegundos (10 -18 s). “a‰ muito gratificante quando vocêpode realizar um experimento bastante fundamental que também pode ser aplicado a algo mais complexo”, diz LaForge.

O processo que os pesquisadores observaram échamado de Decaimento Coula´mbico Interata´mico (ICD), e éum meio importante para a¡tomos ou moléculas compartilharem e transferirem energia. As bolhas aprimoraram o processo, demonstrando como o ambiente pode alterar a velocidade com que um processo ocorre. Uma vez que o ICD desempenha um papel importante na forma como os tecidos vivos reagem a  exposição a  radiação - criando elanãtrons de baixa energia que podem continuar a causar danos nos tecidos - essas descobertas são de importa¢ncia biológica, porque éprova¡vel que bolhas semelhantes se formem em outros fluidos, como a águae com outras moléculas como protea­nas.

"Compreender a escala de tempo da transferaªncia de energia em escala microsca³pica éessencial para vários campos cienta­ficos, como física, química e biologia. O desenvolvimento relativamente recente da tecnologia de laser ultrarrápida e intensa permite investigações resolvidas no tempo com detalhes sem precedentes, abrindo uma riqueza de novas informações e conhecimentos ", diz Berrah.