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

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

Lasers de attosegundorepresentam o ápice de extensa pesquisa e esforços conjuntos de cientistas que utilizaram os princípios da óptica não linear para criar lasers ultrarrápidos. Seu advento nos proporcionou uma perspectiva inovadora 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 attosegundo e apreciar seus atributos não convencionais em comparação aos lasers convencionais, é imperativo explorar sua categorização dentro da "família de lasers" mais ampla. A classificação por comprimento de onda coloca os lasers de attosegundo predominantemente na faixa de frequências do ultravioleta ao raio X suave, o que significa seus comprimentos de onda notavelmente mais curtos em contraste com os lasers convencionais. Em termos de modos de saída, os lasers de attosegundo se enquadram na categoria de lasers pulsados, caracterizados por suas durações de pulso extremamente curtas. Para estabelecer uma analogia para maior clareza, pode-se imaginar os lasers de onda contínua 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 attosegundo exibem um comportamento pulsante dentro da iluminação e escuridão, mas sua transição entre os dois estados ocorre em uma frequência surpreendente, atingindo a faixa dos attosegundos.

Uma categorização mais aprofundada por potência classifica os lasers em faixas de baixa, média e alta potência. Os lasers de attosegundo atingem alta potência de pico devido à duração extremamente curta dos seus pulsos, resultando em uma potência de pico pronunciada (P) – definida como a intensidade de energia por unidade de tempo (P = W/t). Embora pulsos individuais de laser de attosegundo possam não possuir energia excepcionalmente alta (W), sua extensão temporal abreviada (t) lhes confere 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 âmbito 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 laser delineia os lasers como lasers a gás, lasers de estado sólido, lasers líquidos e lasers semicondutores. A geração de lasers de attosegundos normalmente depende de meios laser a gás, capitalizando 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 por suas durações de pulso extraordinariamente curtas, tipicamente medidas em attossegundos. Como resultado, tornaram-se ferramentas indispensáveis ​​para observar e controlar os processos dinâmicos ultrarrápidos de elétrons em átomos, moléculas e materiais sólidos.

O processo elaborado de geração de laser de attosegundo

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

O processo de geração de lasers de attosegundo baseia-se principalmente na técnica conhecida como Geração de Alto Harmônico (HHG). Primeiramente, um feixe de pulsos de laser de femtossegundo de alta intensidade (10^-15 segundos) é focado firmemente em um material alvo gasoso. Vale ressaltar que os lasers de femtossegundo, assim como os lasers de attosegundo, compartilham as características de possuir curtas durações de pulso e alta potência de pico. Sob a influência do intenso campo do 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 em velocidades extremamente altas e, ao se recombinarem 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 denominado harmônicos de alta ordem, onde "harmônicos" denota frequências que são múltiplos inteiros da frequência original. Para obter lasers de attosegundo, 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 pulso podem abreviar ainda mais a duração do pulso, produzindo pulsos ultracurtos na faixa de attosegundos. Evidentemente, a geração de lasers de attosegundos constitui um processo sofisticado e multifacetado, que exige um alto grau de habilidade técnica e equipamentos especializados.

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

Pulsos de laser de femtossegundo de alta intensidade:

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

Material alvo gasoso:

Imagine um corpo d'água tranquilo que simboliza o material gasoso alvo, onde cada gota d'água representa uma miríade de átomos de gás. O ato de lançar pedras nesse corpo d'água espelha analogamente o impacto de pulsos de laser de femtossegundo de alta intensidade no material gasoso alvo.

Movimento e recombinação de elétrons (fisicamente denominado transição):

Quando pulsos de laser de femtossegundos impactam os átomos de gás dentro do material alvo gasoso, um número significativo de elétrons externos é momentaneamente excitado a um estado em que se desprende de seus respectivos núcleos atômicos, formando um estado semelhante ao plasma. À medida que a energia do sistema diminui subsequentemente (visto 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 d'água cai de volta à superfície do lago, ela cria ondulações, muito parecidas com as harmônicas altas dos lasers de attossegundo. Essas ondulações têm frequências e amplitudes mais altas do que as ondulações originais causadas pelo pulso primário do laser de femtossegundo. Durante o processo de HHG, um poderoso feixe de laser, semelhante ao lançamento contínuo de pedras, ilumina um alvo gasoso, semelhante à superfície do lago. Esse intenso campo de laser impulsiona os elétrons no gás, de forma análoga às ondulações, para longe de seus átomos originais e, em seguida, os puxa 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 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 attosegundo. Para isolar tamanhos e frequências específicos de ondulação, você pode empregar um filtro especializado, semelhante à seleção das ondulações desejadas, e usar uma lupa para focá-las em uma área específica.

Compressão de pulso (se necessário):

Se você pretende propagar ondulações de forma mais rápida e curta, pode acelerar sua propagação usando um dispositivo especializado, reduzindo a duração de cada ondulação. A geração de lasers de attosegundo envolve uma interação complexa de processos. No entanto, quando decomposta e visualizada, torna-se mais compreensível.