Um segundo laser: para a fotografia eletrônica maluca

Assim como usamos a luz para observar o mundo macroscópico que nos rodeia, também podemos usar a luz para sondar o mundo subatômico. Mas um princípio deve ser observado: qualquer medição deve ser mais rápida do que o tempo necessário para que o sistema em estudo mude significativamente, caso contrário, apenas resultados vagos poderão ser obtidos.
Em uma molécula, os átomos se movem na escala de tempo de femtossegundos (trilionésimo de segundo, 10^-15 segundos), suas posições e energias mudam em uma a algumas centenas de attosegundos, e para medir seu movimento, a tecnologia de femtossegundos "pode não ajuda.
Quão curto é um attosegundo? 1 attosegundo equivale a 10^-18 segundos, que é um bilionésimo de bilionésimo de segundo. 1 attosegundo equivale a 1 segundo da idade do universo (13,8 bilhões de anos). Um feixe de luz viajando de um lado da sala até a parede oposta leva 10 bilhões de segundos de arco.
A "vida real" do pulso de attosegundo
Como você obtém um pulso de luz na escala de attossegundos? Teoricamente, pulsos de luz mais curtos podem ser gerados pela combinação de pulsos de laser de comprimento de onda curto de vários comprimentos de onda.
Wei Zhiyi, pesquisador do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, explicou ao repórter do Science and Technology Daily: "Para gerar novos comprimentos de onda, não é necessário apenas um laser de femtosegundo, mas também focar no gás, através a interação de átomos de luz e gás para produzir os chamados harmônicos elevados, harmônicos elevados é um ciclo no laser de acionamento, a geração de dois ciclos da onda."
Em 1987, Lhuillier e colegas focaram um feixe de laser infravermelho em um gás inerte e descobriram que os harmônicos produzidos eram mais numerosos e mais fortes do que aqueles produzidos anteriormente com unidades de laser de comprimento de onda mais curto, e que muitos dos harmônicos observados tinham intensidades de luz semelhantes.
Outros estudos descobriram que, nas circunstâncias certas, os harmônicos se sobrepunham para produzir uma série de pulsos de laser na banda ultravioleta, cada um dos quais com apenas algumas centenas de attossegundos de duração.
Em 2001, Agostini e os seus colegas em França conseguiram gerar uma série de comboios de impulsos com duração de apenas 250 arsec. Ferenc Krauss e seus parceiros na Áustria seguiram o caminho inverso, isolando pulsos de luz isolados com duração de 650 segundos de arco e usando-os para rastrear e estudar o processo de "extração" de elétrons dos átomos.
“É o trabalho desses três cientistas, representados pelos pesquisadores há mais de uma década, por meio de engenhosidade e esforços incessantes, para que a ciência ultrarrápida entre na era dos attossegundos.” Wei Zhiyi disse.
Promissor em vários campos, "mostre suas habilidades"
Um pequeno beija-flor pode bater suas asas 80 vezes por segundo, sendo que o olho humano não consegue ver, mas com uma câmera de alta velocidade pode ser enquadrado em um quadro claro de ação.
"Um segundo pulso de luz é precisamente o estudo do mundo material microscópico da 'câmera de alta velocidade', pode ser 'furioso' do elétron enquadrado para observação." Wei Zhiyi disse esperançosamente: "Espera-se que estudar e compreender os elétrons em uma escala de tempo tão curta (de attossegundos) facilite o rápido desenvolvimento da eletrônica ultrarrápida, que pode um dia dar origem a chips de computador mais poderosos. Também nos permite distinguir moléculas com base em suas propriedades eletrônicas e usá-las para diagnóstico rápido e preciso de doenças."
De acordo com Wei Zhiyi, atualmente, além das equipes de pesquisa acima mencionadas internacionalmente, várias equipes de pesquisa nos Estados Unidos, Canadá, Itália, Suíça, Japão, Coreia do Sul e outros países também têm realizado pesquisas sobre a geração de pulsos de attossegundos e suas aplicações em muitos campos, como física, química e biologia.
"Por exemplo, a equipe do Prof. Chang Zenghu da Universidade da Flórida Central, nos Estados Unidos, estabeleceu o recorde mundial para o pulso de attosegundo mais curto duas vezes, em 2012 e 2017, e o pulso de 43-attossegundo criado pelo Instituto Federal Suíço de Tecnologia em 2017 detém até agora o atual recorde mundial para o menor tempo. Em particular, a UE construiu a Instalação de Luz Extrema (ELI-ALPS) na Hungria, com lasers de attossegundos como componente principal, para fornecer cientistas em diferentes áreas para realizar pesquisas científicas em attossegundos." Wei Zhiyi conta os resultados no campo do attosegundo.
A pesquisa sobre pulsos de luz de attossegundos também foi amplamente enfatizada por cientistas chineses. O Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, o Instituto de Mecânica Óptica de Xangai, o Instituto de Mecânica Óptica de Xi'an, a Universidade de Pequim, a Universidade Normal da China Oriental, a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong e outras unidades estão transportando realizar pesquisas no campo da ciência do attosegundo. 2013, o grupo de Wei Zhiyi pela primeira vez na China para gerar e medir o pulso isolado de attossegundos de 160 attosegundos, e agora está se desenvolvendo em direção a larguras de pulso mais curtas, energias mais altas e frequências de repetição mais altas, o que proporcionará uma oportunidade para os cientistas chineses para desenvolver seus próprios lasers de attossegundos. Combinado com o equipamento terminal, fornece uma plataforma líder internacional e instalações para a pesquisa de laser de attosegundo nas áreas de física da matéria condensada, física atômica e molecular, química, biomedicina, informação e energia.