Em um anúncio histórico na noite de 3 de outubro de 2023, o Prêmio Nobel de Física de 2023 foi revelado, reconhecendo as contribuições excepcionais de três cientistas que desempenharam papéis fundamentais como pioneiros no campo da tecnologia de laser de attossegundo.

O termo "laser de attossegundo" deriva seu nome da escala de tempo incrivelmente curta em que opera, especificamente na ordem de attossegundos, correspondendo a 10^-18 segundos. Para compreender o profundo significado dessa tecnologia, é fundamental entender o que um attossegundo representa. Um attossegundo é uma unidade de tempo extremamente pequena, constituindo um bilionésimo de bilionésimo de segundo dentro do contexto mais amplo de um único segundo. Para colocar isso em perspectiva, se comparássemos um segundo a uma montanha imponente, um attossegundo seria como um único grão de areia aninhado na base da montanha. Nesse intervalo de tempo fugaz, até mesmo a luz mal consegue percorrer uma distância equivalente ao tamanho de um átomo individual. Através da utilização de lasers de attossegundo, os cientistas obtêm a capacidade sem precedentes de examinar e manipular a dinâmica complexa dos elétrons dentro das estruturas atômicas, como uma reprodução em câmera lenta quadro a quadro em uma sequência cinematográfica, investigando assim sua interação.

lasers de attossegundoRepresentam o culminar de extensa pesquisa e esforços conjuntos de cientistas, que aproveitaram os princípios da óptica não linear para criar lasers ultrarrápidos. Seu advento nos proporcionou 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 attossegundo e apreciar seus atributos não convencionais em comparação com os lasers convencionais, é imprescindível explorar sua categorização dentro da mais ampla "família dos lasers". A classificação por comprimento de onda posiciona os lasers de attossegundo predominantemente na faixa de frequências ultravioleta a raios X suaves, o que significa que seus comprimentos de onda notavelmente mais curtos em contraste com os lasers convencionais. Em termos de modos de saída, os lasers de attossegundo se enquadram na categoria de lasers pulsados, caracterizados por suas durações de pulso extremamente breves. Para maior clareza, podemos imaginar os lasers de onda contínua como uma lanterna que emite um feixe de luz contínuo, enquanto os lasers pulsados ​​se assemelham a uma luz estroboscópica, alternando rapidamente entre períodos de iluminação e escuridão. Em essência, os lasers de attossegundo exibem um comportamento pulsante dentro da faixa de iluminação e escuridão, mas sua transição entre os dois estados ocorre em uma frequência surpreendente, atingindo a ordem de attossegundos.

Uma categorização adicional por potência coloca os lasers em categorias de baixa, média e alta potência. Os lasers de attossegundo atingem alta potência de pico devido à duração extremamente curta de seus pulsos, resultando em uma potência de pico (P) pronunciada – definida como a intensidade de energia por unidade de tempo (P = W/t). Embora pulsos individuais de laser de attossegundo possam não possuir energia excepcionalmente alta (W), sua curta duração temporal (t) lhes confere uma potência de pico elevada.

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

A categorização por meio laser distingue os lasers em lasers a gás, lasers de estado sólido, lasers líquidos e lasers semicondutores. A geração de lasers de attossegundos depende tipicamente de meios laser a gás, aproveitando os efeitos ópticos não lineares para gerar harmônicos de alta ordem.

Em resumo, os lasers de attossegundo constituem uma classe única de lasers de pulso curto, que se distinguem pela sua duração de pulso extraordinariamente breve, tipicamente medida em attossegundos. Consequentemente, tornaram-se ferramentas indispensáveis ​​para observar e controlar os processos dinâmicos ultrarrápidos de elétrons dentro de átomos, moléculas e materiais sólidos.

O complexo processo de geração de laser de attossegundos

A tecnologia de laser de attossegundo está na vanguarda da inovação científica, ostentando um conjunto de condições rigorosamente intrigantes para sua geração. Para elucidar as complexidades da geração de laser de attossegundo, começamos com uma exposição concisa de seus princípios fundamentais, seguida por metáforas vívidas derivadas de experiências cotidianas. Leitores não familiarizados com as complexidades da física relevante não precisam se desesperar, pois as metáforas subsequentes visam tornar a física fundamental dos lasers de attossegundo acessível.

O processo de geração de lasers de attossegundos baseia-se principalmente na técnica conhecida como Geração de Harmônicos de Alta Frequência (HHG). Primeiramente, um feixe de pulsos de laser de femtossegundos (10^-15 segundos) de alta intensidade é focalizado com precisão em um material alvo gasoso. Vale ressaltar que os lasers de femtossegundos, assim como os lasers de attossegundos, compartilham as características de possuírem pulsos de curta duração e alta potência de pico. Sob a influência do intenso campo de 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 de 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, ao se recombinarem com os núcleos atômicos, liberam energia adicional na forma de emissões harmônicas de alta ordem, que se manifestam 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 se denomina 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 focalizar esses harmônicos de alta ordem, selecionando harmônicos específicos e concentrando-os em um ponto focal. Se desejado, técnicas de compressão de pulsos podem abreviar ainda mais a duração do pulso, produzindo pulsos ultracurtos na faixa de attossegundos. Evidentemente, a geração de lasers de attossegundos constitui um processo sofisticado e multifacetado, que exige um alto grau de habilidade técnica e equipamentos especializados.

Para desmistificar esse processo complexo, oferecemos um paralelo metafórico baseado em cenários cotidianos:

Pulsos de laser de femtosegundo de alta intensidade:

Imagine possuir uma catapulta excepcionalmente potente, capaz de arremessar pedras instantaneamente a velocidades colossais, semelhante ao papel desempenhado por pulsos de laser de femtosegundo de alta intensidade.

Material alvo gasoso:

Imagine uma massa de água tranquila que simboliza o material gasoso alvo, onde cada gota de água representa uma miríade de átomos de gás. O ato de lançar pedras nessa massa de água espelha, analogamente, o impacto de pulsos de laser de femtosegundo de alta intensidade sobre o material gasoso alvo.

Movimento e recombinação de elétrons (fisicamente denominados transição):

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

Geração de Harmônicos de Alta Frequência:

Imagine que, a cada vez que uma gota de água cai de volta à superfície do lago, ela cria ondulações, muito semelhantes aos harmônicos de alta ordem em lasers de attossegundo. Essas ondulações têm frequências e amplitudes maiores do que as ondulações originais causadas pelo pulso primário do laser de femtossegundo. Durante o processo de HHG (Geração de Harmônicos de Alta Ordem), um feixe de laser potente, semelhante ao lançamento contínuo de pedras, ilumina um alvo gasoso, que simula a superfície do lago. Esse campo de laser intenso impulsiona elétrons no gás, análogos às ondulações, para longe de seus átomos originais e, em seguida, os atrai de volta. Cada vez que um elétron retorna ao átomo, ele emite um novo feixe de laser com uma frequência mais alta, semelhante a padrões de ondulação mais complexos.

Filtragem e Focalização:

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 ondulação específicos, pode-se 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 o objetivo é propagar ondas de forma mais rápida e com menor duração, é possível acelerar sua propagação utilizando um dispositivo especializado, reduzindo o tempo de duração de cada onda. A geração de lasers de attossegundos envolve uma complexa interação de processos. No entanto, quando analisada e visualizada, torna-se mais compreensível.