Correlação quântica revelada por atrasos na gama dos attossegundos
Aplicações pioneiras como a geração eficiente de energia solar, a tecnologia de sensores ultrafinos e a fotocatálise melhorada são possíveis
Experiências resolvidas no tempo na gama dos attossegundos mostram a importância crescente das correlações electrónicas na resposta plasmónica colectiva quando a dimensão de um sistema diminui para escalas inferiores a um nanómetro. O estudo, publicado na revista "Science Advances", foi realizado pela Universidade de Hamburgo e pelo DESY no âmbito de uma colaboração com a Universidade de Stanford, o SLAC National Accelerator Laboratory, a Ludwig-Maximilians-Universität München, a Northwest Missouri State University, o Politécnico de Milão e o Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria.
O eletrão que se move dentro do potencial plasmónico acumula um atraso de fotoemissão de pelo menos 50 attosegundos até cerca de 300 attosegundos, dependendo da sua energia cinética.
RMT.Bergues
Os plasmões são excitações electrónicas colectivas que conduzem a efeitos únicos na matéria. Permitem uma focalização extrema da luz, o que possibilita aplicações revolucionárias como a recolha eficiente de energia solar, a deteção ultrafina e uma melhor fotocatálise. A miniaturização das estruturas plasmónicas à nanoescala levou ao aparecimento do excitante campo da nanoplasmónica, no qual a energia ótica pode ser confinada e manipulada a uma escala sem precedentes. "Esta investigação de ponta abre novas vias para o desenvolvimento de plataformas ultracompactas e de elevado desempenho, nas quais as interações entre a luz e a matéria podem ser controladas através da utilização de efeitos quânticos à nanoescala", afirma Francesca Calegari, diretora do Grupo de Investigação de Attossegundos, professora na Universidade de Hamburgo, cientista sénior no DESY e porta-voz do Cluster de Excelência "CUI: Advanced Imaging of Matter".
Embora as propriedades das ressonâncias plasmónicas em sistemas com dimensões superiores a 10 nanómetros sejam bem compreendidas, a compreensão da plasmónica na gama de alguns nanómetros ou sub-nanómetros é ainda limitada. Os fulerenos são exemplos únicos de tais sistemas: Estas moléculas de átomos de carbono, semelhantes a gaiolas, apresentam enormes ressonâncias plasmónicas a energias ultravioletas extremas (XUV) que podem desencadear a fotoemissão. As ressonâncias têm uma largura de linha muito elevada, o que indica um tempo de vida potencial na ordem dos attossegundos. Um attossegundo é um bilionésimo de bilionésimo de segundo.
A dinâmica ultra-rápida destes sistemas constitui uma plataforma excecional para estudar os mecanismos físicos fundamentais que controlam o movimento eletrónico coletivo em partículas plasmónicas sub-nanométricas. "A compreensão destes mecanismos é crucial para o progresso no domínio da nanoplasmónica", afirma Andrea Trabattoni, investigador do DESY e professor associado da Leibniz Universität Hannover (LUH).
No seu estudo, os cientistas utilizaram o método de espetroscopia de attosecond para investigar a dinâmica plasmónica do fulereno mais frequente, o C₆₀, a nível experimental e teórico. As moléculas foram fotoionizadas com um pulso ultracurto de 300 attosegundos. Utilizando a espetroscopia de fotoemissão de attossegundos, os investigadores mediram com precisão o atraso até o eletrão deixar a molécula durante a excitação plasmónica. Descobriram que o eletrão que se move dentro do potencial plasmónico acumula um atraso de fotoemissão de pelo menos 50 attossegundos até cerca de 300 attossegundos, dependendo da sua energia cinética.
Utilizando modelos de mecânica quântica, o grupo atribui este atraso a correlações quânticas electrónicas. Estes resultados sublinham a necessidade de ir além da imagem clássica do movimento coletivo dos electrões para compreender plenamente a dinâmica destes ambientes ultra-rápidos e confinados.
"Ao medir o atraso causado pelas correlações quânticas, obtemos novos conhecimentos sobre a interação entre a coerência eletrónica e o confinamento a escalas sub-nanométricas", afirmou Matthias Kling, professor de ciência dos fotões na Universidade de Stanford e chefe da Divisão de Ciência e Investigação do LCLS, Laboratório Nacional do Acelerador SLAC. "Este trabalho demonstra o grande potencial das técnicas de attosecond para sondar a natureza quântica da matéria e abre a porta a novas abordagens no controlo da dinâmica ultra-rápida para tecnologias futuras."
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Publicação original
Sh. Biswas, A. Trabattoni, Ph. Rupp, M. Magrakvelidze, M. El-Amine Madjet, U. De Giovannini, M. C. Castrovilli, M. Galli, Q. Liu, E. P. Månsson, J. Schötz1, V. Wanie, P. Wnuk, L. Colaizzi, D. Mocci, M. Reduzzi, M. Lucchini, M. Nisoli, A. Rubio, H. S. Chakraborty, M. F. Kling, F. Calegari Correlation-driven attosecond photoemission delay in the plasmonic excitation of C60 fullerene Science Advances 11, eads0494 (2025)
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