Num anúncio importante na noite de 3 de outubro de 2023, o Prémio Nobel da Física para o ano de 2023 foi revelado, reconhecendo as contribuições notáveis ​​de três cientistas que desempenharam papéis fundamentais como pioneiros no domínio da tecnologia laser de attossegundos.

O termo "laser de attosegundo" deriva seu nome da escala de tempo incrivelmente breve em que opera, especificamente na ordem de attosegundos, correspondendo a 10^-18 segundos. Para compreender o profundo significado desta tecnologia, é fundamental uma compreensão fundamental do que significa um attossegundo. Um attosegundo é uma unidade de tempo extremamente minúscula, constituindo um bilionésimo de bilionésimo de segundo no contexto mais amplo de um único segundo. Para colocar isto em perspectiva, se comparássemos um segundo a uma montanha imponente, um attossegundo seria semelhante a um único grão de areia aninhado na base da montanha. Neste intervalo temporal fugaz, mesmo a luz mal consegue percorrer uma distância equivalente ao tamanho de um átomo individual. Através da utilização de lasers de attossegundos, os cientistas ganham a capacidade sem precedentes de examinar e manipular a intrincada dinâmica dos elétrons dentro das estruturas atômicas, semelhante a uma repetição em câmera lenta quadro a quadro em uma sequência cinematográfica, investigando assim sua interação.

Lasers de attosegundorepresentam o culminar de extensas pesquisas e esforços concertados de cientistas, que aproveitaram os princípios da óptica não linear para criar lasers ultrarrápidos. Seu advento nos forneceu um ponto de vista inovador para a observação e exploração dos processos dinâmicos que ocorrem dentro de átomos, moléculas e até mesmo elétrons em materiais sólidos.

Para elucidar a natureza dos lasers de attossegundos e apreciar seus atributos não convencionais em comparação aos lasers convencionais, é imperativo explorar sua categorização dentro da "família de laser" mais ampla. A classificação por comprimento de onda coloca os lasers de attossegundos predominantemente dentro da faixa de frequências ultravioleta a raios X suaves, significando seus comprimentos de onda notavelmente mais curtos em contraste com os lasers convencionais. Em termos de modos de saída, os lasers de attossegundos se enquadram na categoria de lasers pulsados, caracterizados por suas durações de pulso extremamente breves. Para fazer uma analogia para maior clareza, pode-se imaginar os lasers de ondas contínuas como semelhantes a uma lanterna que emite um feixe contínuo de luz, enquanto os lasers pulsados ​​​​se assemelham a uma luz estroboscópica, alternando rapidamente entre períodos de iluminação e escuridão. Em essência, os lasers de attosegundos exibem um comportamento pulsante na iluminação e na escuridão, mas sua transição entre os dois estados ocorre em uma frequência surpreendente, atingindo o reino dos attosegundos.

A categorização adicional por potência coloca os lasers em colchetes de baixa potência, média potência e alta potência. Os lasers de attosegundo alcançam alta potência de pico devido às suas durações de pulso extremamente curtas, resultando em uma potência de pico pronunciada (P) – definida como a intensidade de energia por unidade de tempo (P=W/t). Embora os pulsos de laser de attossegundos individuais possam não possuir energia excepcionalmente grande (W), sua extensão temporal abreviada (t) confere-lhes uma potência de pico elevada.

Em termos de domínios de aplicação, os lasers abrangem um espectro que abrange aplicações industriais, médicas e científicas. Os lasers de attosegundo encontram seu nicho principalmente no domínio da pesquisa científica, particularmente na exploração de fenômenos em rápida evolução nos domínios da física e da química, oferecendo uma janela para os rápidos processos dinâmicos do mundo microcósmico.

A categorização por meio de laser delineia os lasers como lasers de gás, lasers de estado sólido, lasers líquidos e lasers semicondutores. A geração de lasers de attossegundos normalmente depende de meios de laser a gás, capitalizando efeitos ópticos não lineares para gerar harmônicos de alta ordem.

Em suma, os lasers de attosegundos constituem uma classe única de lasers de pulso curto, distinguidos por suas durações de pulso extraordinariamente breves, normalmente medidas em attosegundos. Como resultado, eles se tornaram ferramentas indispensáveis ​​para observar e controlar os processos dinâmicos ultrarrápidos dos elétrons dentro dos átomos, moléculas e materiais sólidos.

O elaborado processo de geração de laser de attosegundo

A tecnologia laser Attosecond está na vanguarda da inovação científica, ostentando um conjunto intrigantemente rigoroso de condições para sua geração. Para elucidar os meandros da geração de laser de attossegundos, começamos com uma exposição concisa de seus princípios subjacentes, seguida por metáforas vívidas derivadas de experiências cotidianas. Os leitores não versados ​​nas complexidades da física relevante não precisam se desesperar, pois as metáforas que se seguem visam tornar acessível a física fundamental dos lasers de attossegundos.

O processo de geração de lasers de attossegundos depende principalmente da técnica conhecida como Geração de Altos Harmônicos (HHG). Em primeiro lugar, um feixe de pulsos de laser de femtosegundo de alta intensidade (10 ^ -15 segundos) é fortemente focado em um material alvo gasoso. É importante notar que os lasers de femtosegundo, semelhantes aos lasers de attosegundo, compartilham as características de possuir durações de pulso curtas e alta potência de pico. Sob a influência do intenso campo laser, os elétrons dentro dos átomos do gás são momentaneamente liberados de seus núcleos atômicos, entrando transitoriamente em um estado de elétrons livres. À medida que esses elétrons oscilam em resposta ao campo do laser, eles eventualmente retornam e se recombinam com seus núcleos atômicos originais, criando novos estados de alta energia.

Durante esse processo, os elétrons se movem a velocidades extremamente altas e, após recombinação com os núcleos atômicos, liberam energia adicional na forma de altas emissões harmônicas, manifestando-se como fótons de alta energia.

As frequências desses fótons de alta energia recém-gerados são múltiplos inteiros da frequência original do laser, formando o que é chamado de harmônicos de alta ordem, onde "harmônicos" denota frequências que são múltiplos inteiros da frequência original. Para obter lasers de attossegundos, torna-se necessário filtrar e focar esses harmônicos de alta ordem, selecionando harmônicos específicos e concentrando-os em um ponto focal. Se desejado, as técnicas de compressão de pulso podem abreviar ainda mais a duração do pulso, produzindo pulsos ultracurtos na faixa de attossegundos. Evidentemente, a geração de lasers de attosegundos constitui um processo sofisticado e multifacetado, exigindo alto grau de habilidade técnica e equipamentos especializados.

Para desmistificar este intrincado processo, oferecemos um paralelo metafórico baseado em cenários cotidianos:

Pulsos de laser de femtosegundo de alta intensidade:

Imagine possuir uma catapulta excepcionalmente potente, capaz de lançar pedras instantaneamente em velocidades colossais, semelhante ao papel desempenhado pelos pulsos de laser de femtossegundos de alta intensidade.

Material alvo gasoso:

Imagine um corpo de água tranquilo que simboliza o material gasoso alvo, onde cada gota de água representa uma miríade de átomos de gás. O ato de lançar pedras neste corpo de água reflete analogamente o impacto dos pulsos de laser de femtosegundo de alta intensidade no material gasoso alvo.

Movimento e recombinação de elétrons (transição fisicamente denominada):

Quando os pulsos de laser de femtosegundo impactam os átomos de gás dentro do material gasoso alvo, um número significativo de elétrons externos são momentaneamente excitados para um estado em que se separam de seus respectivos núcleos atômicos, formando um estado semelhante ao plasma. À medida que a energia do sistema diminui subsequentemente (uma vez que os pulsos de laser são inerentemente pulsados, apresentando intervalos de cessação), esses elétrons externos retornam à sua vizinhança dos núcleos atômicos, liberando fótons de alta energia.

Geração de Alta Harmônica:

Imagine que cada vez que uma gota de água cai de volta à superfície do lago, ela cria ondulações, muito parecidas com altos harmônicos em lasers de attossegundos. Essas ondulações têm frequências e amplitudes mais altas do que as ondulações originais causadas pelo pulso de laser primário de femtosegundo. Durante o processo HHG, um poderoso feixe de laser, semelhante ao lançamento contínuo de pedras, ilumina um alvo de gás, semelhante à superfície do lago. Este intenso campo de laser impulsiona os elétrons no gás, de forma análoga às ondulações, para longe de seus átomos-mãe e depois os puxa de volta. Cada vez que um elétron retorna ao átomo, ele emite um novo feixe de laser com frequência mais alta, semelhante a padrões de ondulação mais intrincados.

Filtragem e Foco:

A combinação de todos esses feixes de laser recém-gerados produz um espectro de várias cores (frequências ou comprimentos de onda), algumas das quais constituem o laser de attossegundos. Para isolar tamanhos e frequências de ondulações específicas, você pode empregar um filtro especializado, semelhante à seleção de ondulações desejadas, e usar uma lupa para focalizá-las em uma área específica.

Compressão de pulso (se necessário):

Se você pretende propagar ondulações de forma mais rápida e curta, poderá acelerar sua propagação usando um dispositivo especializado, reduzindo o tempo de duração de cada ondulação. A geração de lasers de attossegundos envolve uma complexa interação de processos. Porém, quando decomposto e visualizado, torna-se mais compreensível.