Technology Spain , Salamanca, Thursday, December 12 of 2013, 09:33

Aumenta-se a precisão temporal para controlar a luz

Uma destacável publicação teórica do Grupo de Pesquisa em Óptica Extrema da Universidade de Salamanca abre as portas para manipulação de processos físicos subatômicos

José Pichel Andrés/DICYT O Grupo de Pesquisa em Óptica Extrema (GIOE) da Universidade de Salamanca publicou uma previsão teórica em Physical Review Letters, uma das melhores revistas de Física, sobre a possibilidade de controlar a radiação laser com uma precisão sem precedentes, menor do que um trilionésimo de segundo. Este tipo de controle permitiria a observação e a manipulação de processos físicos tão rápidos que somente ocorrem no interior dos átomos, algo que nunca foi possível, mas que este trabalho e a tecnologia atual podem tornar realidade em um futuro próximo.

Este trabalho teórico é liderado por Carlos Hernández García e Luis Plaja, cientistas do GIOE, mas também conta com a participação do Centro de Lasers Pulsados (CLPU) de Salamanca e do Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), um dos principais centros de Física dos Estados Unidos, localizado no campus Boulder da Universidade de Colorado, no qual atualmente trabalha Carlos Hernández graças a uma bolsa europeia Marie Curie.

Os pesquisadores explicam à DiCYT que desde a invenção do laser, nos anos sessenta, “demostrou-se que a luz pode ser controlada temporalmente com enorme detalhe”. Esse controle não deixa de crescer. A principio a precisão era de um bilionésima de segundo (o que se denomina picosegundo), equivalente a proporção existente entre uma hora e a vida do universo. Atualmente, o recorde é um milhão de vezes inferior, ou seja, alguns trilionésimos de segundo (attosegundos).

Agora o artigo de Physical Review Letters “mostra um caminho para aumentar ainda mais a precisão temporal com a qual podemos controlar a luz”, indicam Luis Plaja e Carlos Hernández, já que esta proposta permitiria romper a barreira do attosegundo e entrar na escala temporal dos zeptosegundos (um zeptosegundo é 10-21 segundos). “Um controle tão extremo pode proporcionar uma imagem muito precisa sobre o desenvolvimento de processos atômicos, inclusive do núcleo do átomo, acerca dos quais atualmente somente temos informação dos estados inicial e final, mas não sobre suas etapas intermediarias”, destacam os cientistas.

O esquema da proposta

A ideia proposta pelos pesquisadores da Universidade de Salamanca está baseada em uma técnica já conhecida, que utiliza o laser para transformar os átomos em pequenos ‘colisores’ de partículas. Neste esquema um laser infravermelho de femtosegundo interage com um átomo, arranca um de seus elétrons e o acelera. Despois o reorienta novamente ao átomo, com o qual colide. Como resultado desta colisão são gerados pulsos de luz de alta frequência (raios X). Quando duas trajetórias quânticas diferentes do mesmo elétron ‘recolidem’ ao mesmo tempo, sua interferência enseja modulações na radiação gerada na gama dos zeptosegundos.

Durante esta última colisão gera-se luz de alta frequência. De fato, alguns autores do artigo sustentam também o recorde da maior frequência (ou energia) conseguida neste processo, um experimento publicado na revista Science há um ano.

A novidade introduzida por este trabalho é a de explorar as propriedades ‘mecanicoquânticas’ dos elétrons: a possibilidade de que a radiação possa ser gerada durante a colisão com o átomo por duas trajetórias diferentes do mesmo elétron rompe sua distribuição espacial em fragmentos regulares (um fenômeno chamado interferência quântica). “É a colisão deste trem de fragmentos que gera radiação modulada a uma escala temporal tão fina, na escala dos zeptosegundos”, afirmam.

Futuros desenvolvimentos tecnológicos

Atualmente a pesquisa é uma previsão teórica, não um trabalho experimental. Ainda que a tecnologia atual já permita criar o fenômeno, não existe uma forma de observa-lo. “O problema é como medir algo tão rápido”, indica Luis Plaja. Contudo, é provável que a rápida evolução da tecnologia laser o torne possível em breve, “quando existam lasers com maior comprimento de onda”, o que poderia ser alcançado em apenas um ou dois anos.

O maior controle da dinâmica subatômica poderia, a longo prazo, influenciar muito o desenvolvimento tecnológico. “Os benefícios tecnológicos derivados deste domínio são evidentes quando pensamos que, por exemplo, nossos computadores se baseiam no controle do movimento dos elétrons com uma precisão de mil bilionésimo de segundo, isso é, um nanosegundo”, indicam os pesquisadores. "A base da tecnologia é o controle da natureza", agregam.

A contribuição dos pesquisadores da Universidade de Salamanca, em colaboração com pesquisadores de relevância mundial como Margaret Murnane, do JILA, é tão relevante para os especialistas que a revista científica Physical Review Letters destacou este artigo dentre suas publicações mais importantes e será também ressaltado na próxima edição da Nature.

As duas direções da escala de tempo

De um ponto de vista mais geral, os cientistas explicam que este tipo de progressos representam avançar nas fronteiras do conhecimento. “Ao longo da historia, a Humanidade tentou desvelar os mistérios oferecidos pela natureza em duas escalas de tempo”, afirmam. Por um lado, destacam-se períodos de tempo muito longos, como a formação dos planetas, a idade das estrelas ou o inicio do universo, há 14.000 milhões de anos (500.000.000.000.000.000 segundos ou 5x1017). Por outro lado, destaca-se o outro extremo da escala temporal, os processos naturais em tempos que também escapam às medidas humanas, mas neste caso por serem muito breves para nossa percepção. Neste campo de trabalho se movem as pesquisas do GIOE e o desafio não apenas está em medir estes processos, mas também em “submete-los a nosso controle” para ser aplicados.

Referência bibliográfica

C. Hernandez-García, J. A. Perez--‐Hernández, T. Popmintchevm M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, A. Jaron-Becker, A. Becker, and L. Plaja. “Zeptosecond High Harmonic keV X-Ray Waveforms Driven by Midinfrared Laser Pulses”, Physical Review Letters, 111, 033002 (2013).