A versão original de essa história apareceu em Revista Quanta.
Para vislumbrar as partículas inimaginavelmente velozes do mundo subatômico, é necessário produzir flashes de luz inimaginavelmente breves. Anne L’Huillier, Pierre Agostini e Ferenc Krausz compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2023 pelo seu trabalho pioneiro no desenvolvimento da capacidade de iluminar a realidade em escalas de tempo quase inconcebivelmente breves.
Entre a década de 1980 e o início da década de 2000, os três físicos desenvolveram técnicas para produzir pulsos de laser com duração de apenas attosegundos – períodos bilhões de bilhões de vezes mais curtos que um segundo. Quando visto em flashes tão curtos, o mundo fica mais lento. O bater das asas de um beija-flor torna-se uma eternidade. Até o zumbido incessante dos átomos torna-se lento. Na escala de tempo de attossegundos, os físicos podem detectar diretamente o movimento dos próprios elétrons enquanto eles voam em torno dos átomos, saltando de um lugar para outro.
“A capacidade de gerar pulsos de luz de attossegundos abriu a porta em uma escala de tempo minúscula – extremamente minúscula. Também abriu a porta para o mundo dos elétrons”, disse Eva Olssonpresidente do Comitê do Nobel de Física e físico da Chalmers University of Technology.
Além de ser uma forma fundamentalmente nova de estudar elétrons, este método para ver o mundo em movimento ultralento pode levar a uma série de aplicações. Mats Larsson, membro do comitê do Nobel, atribuiu à técnica o lançamento do campo da “atoquímica”, ou a capacidade de manipular elétrons individuais usando luz. Atire pulsos de laser de attossegundos em um semicondutor, continuou ele, e o material passa quase instantaneamente de bloquear o fluxo de eletricidade para conduzir eletricidade, potencialmente permitindo a produção de dispositivos eletrônicos ultrarrápidos. E Krausz, um dos laureados deste ano, também está a tentar aproveitar o poder dos impulsos de attossegundos para detectar alterações subtis nas células sanguíneas que possam indicar as fases iniciais do cancro.
O mundo dos ultrarrápidos é totalmente diferente do nosso, mas – devido ao trabalho de L’Huillier, Agostini, Krausz e outros pesquisadores – é um mundo que está apenas surgindo.
O que é um attosegundo?
Um attosegundo é um quintilionésimo de segundo, ou 0,00000000000000001 segundos. Mais attosegundos passam no espaço de um segundo do que segundos que se passaram desde o nascimento do universo.
Ilustração: Merrill Sherman/Revista Quanta
Para cronometrar os movimentos dos planetas, pensamos em dias, meses e anos. Para medir um humano correndo a corrida de 100 metros, usamos segundos ou centésimos de segundo. Mas à medida que mergulhamos profundamente no mundo submicroscópico, os objetos movem-se mais rapidamente. Para medir movimentos quase instantâneos, como a dança dos elétrons, precisamos de cronômetros com marcas muito mais finas: attosegundos.
Em 1925, Werner Heisenberg, um dos pioneiros da mecânica quântica, argumentou que o tempo que um elétron leva para circundar um átomo de hidrogênio não é observável. Em certo sentido, ele estava correto. Os elétrons não orbitam um núcleo atômico da mesma forma que os planetas orbitam as estrelas. Em vez disso, os físicos as entendem como ondas de probabilidade que dão suas chances de serem observadas em um determinado lugar e tempo, de modo que não podemos medir um elétron voando literalmente pelo espaço.
Mas, noutro sentido, Heisenberg subestimou a engenhosidade de físicos do século XX como L’Huillier, Agostini e Krausz. As probabilidades de o elétron estar aqui ou ali mudam de momento a momento, de attosegundo para attossegundo. E com a capacidade de criar pulsos de laser de attossegundos que podem interagir com os elétrons à medida que evoluem, os pesquisadores podem investigar diretamente vários comportamentos dos elétrons.
Como os físicos produzem pulsos de attosegundo?
Na década de 1980, Ahmed Zewail, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, desenvolveu a capacidade de fazer lasers estroboscópicos com pulsos que duram alguns femtosegundos – milhares de attosegundos. Esses sinais, que valeram a Zewail o Prêmio Nobel de Química de 1999, foram suficientes para permitir aos pesquisadores estudar como as reações químicas se desenrolam entre os átomos nas moléculas. O adiantamento foi faturado como “a câmera mais rápida do mundo.”
Por um tempo, uma câmera mais rápida parecia inatingível. Não estava claro como fazer a luz oscilar mais rapidamente. Mas em 1987, Anne L’Huillier e os seus colaboradores fizeram uma observação intrigante: Se você iluminar certos gases, seus átomos ficarão excitados e reemitirão cores adicionais de luz que oscilam muitas vezes mais rápido que o laser original – um efeito conhecido como “sobretons”. O grupo de L’Huillier descobriu que em gases como o árgon, algumas destas cores extras pareciam mais brilhantes do que outras, mas num padrão inesperado. No início, os físicos não sabiam o que fazer com esse fenômeno.
