Quase um século atrás, Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física por sua explicação do efeito fotoelétrico. Publicada em 1905, a teoria de Einstein incorporou a ideia de que a luz é composta de partículas chamadas fótons. Quando a luz incide sobre a matéria, os elétrons na amostra respondem à entrada de energia e a interação dá origem ao que é conhecido como efeito fotoelétrico. Os quanta (fótons) de luz são absorvidos pelo material e excitam os elétrons ligados.
Dependendo do comprimento de onda da fonte de luz, isso pode resultar na ejeção de elétrons. A estrutura de banda eletrônica do material envolvido tem um efeito significativo nas escalas de tempo da fotoemissão. Os físicos baseados na Ludwig-Maximilian University (LMU) em Munique e no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) agora examinaram mais de perto o fenômeno da fotoemissão. Eles mediram a influência da estrutura da banda de tungstênio na dinâmica da emissão de fotoelétrons e fornecem interpretações teóricas de suas observações.
Isso agora é possível graças ao desenvolvimento e refinamento contínuo da tecnologia attosecond. Um “attosegundo” corresponde a 10-18 de um segundo, ou seja, um bilionésimo de um bilionésimo de um segundo. A capacidade de gerar de forma reproduzível sequências de pulsos de luz laser que duram algumas centenas de attossegundos permite aos pesquisadores seguir o curso da fotoemissão “congelando a ação” em intervalos regulares – analogamente a um estroboscópio, mas com resolução temporal muito melhor.
Em uma série de experimentos de espectroscopia de fotoelétrons, a equipe usou pulsos de attosegundos de luz ultravioleta extrema para sondar a dinâmica da fotoemissão de um cristal de tungstênio. Cada pulso continha algumas centenas de fótons de raios-X, cada um com energia suficiente para desalojar um fotoelétron. Com o auxílio de detectores montados na frente do cristal, a equipe conseguiu caracterizar os elétrons ejetados em termos de tempo de vôo e ângulos de emissão.
Os resultados revelaram que os elétrons que interagem com os fótons que chegam demoram um pouco para reagir a tais encontros. Esse achado foi possível pela adoção de uma nova abordagem para a geração de pulsos de attossegundo. Graças à introdução de um ressonador de cavidade passivo com um fator de aprimoramento de 35, a nova configuração agora pode produzir pulsos de attossegundos a uma taxa de 18,4 milhões por segundo, aproximadamente 1000 vezes maior do que o anteriormente comum em sistemas comparáveis. Como a taxa de repetição do pulso é tão alta, apenas alguns poucos fotoelétrons por pulso são suficientes para fornecer um fluxo médio alto.
“Uma vez que os fotoelétrons carregados negativamente se repelem, suas energias cinéticas estão sujeitas a mudanças rápidas. A fim de caracterizar sua dinâmica, é importante distribuí-los ao longo de tantos pulsos de attossegundo quanto possível”, como o primeiro autor em conjunto, Dr. Tobias Saule, explica . O aumento da taxa de pulso significa que as partículas têm pouca oportunidade de interagir umas com as outras porque estão bem distribuídas no tempo e no espaço, de modo que a resolução de energia máxima é amplamente retida. Desta forma, a equipe foi capaz de mostrar que em termos de cinética de fotoemissão, elétrons em estados de energia vizinhos na banda de valência (ou seja, as órbitas mais externas dos átomos no cristal), que têm diferentes momentos angulares também diferem por um algumas dezenas de attossegundos no tempo que levam para responder aos fótons que chegam.
Notavelmente, o arranjo dos átomos dentro do próprio cristal tem uma influência mensurável no atraso entre a chegada do pulso de luz e a ejeção dos fotoelétrons. “Um cristal é feito de inúmeros átomos, todos cujos núcleos são carregados positivamente. Cada núcleo é a fonte de um potencial elétrico, que atrai os elétrons carregados negativamente – da mesma forma que um buraco redondo atua como um poço de potencial para mármores “, diz o Dr. Stephan Heinrich, também co-primeiro autor do relatório. “Quando um elétron é desalojado de um cristal, o que acontece é um pouco como o progresso de uma bola de gude sobre uma mesa cheia de depressões.
Essas indentações representam as posições dos átomos individuais no cristal e são regularmente organizadas. A trajetória do mármore é diretamente afetada por sua presença, e difere do que seria observado em uma superfície lisa “, ressalta.” Agora demonstramos como esse potencial periódico dentro de um cristal afeta o comportamento temporal da fotoemissão – e podemos teoricamente explicá-lo “, explica Stephan Heinrich. Os atrasos observados podem ser atribuídos à natureza complexa do transporte de elétrons do interior para a superfície do cristal e ao impacto do espalhamento de elétrons e efeitos de correlação que isso acarreta .
“Os insights fornecidos por nosso estudo abrem a possibilidade de investigações experimentais das interações complexas que ocorrem em sistemas multielétrons em matéria condensada em uma escala de tempo de attossegundos. Isso, por sua vez, nos permitirá entendê-los teoricamente”, diz LMU-Prof . Ulf Kleineberg, que liderou o projeto.
A longo prazo, as novas descobertas também podem levar a novos materiais com propriedades eletrônicas que aumentam as interações luz-matéria, o que tornaria as células solares mais eficientes e melhoraria as taxas de comutação de componentes nano-ópticos para processamento de dados ultrarrápido e promover o desenvolvimento de nanossistemas para uso nas ciências biomédicas.
Publicado em 19/06/2021 13h35
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