Observar os electrões nos sólidos
Simplificação de um método espetroscópico para a investigação dos movimentos dos electrões em moléculas e sólidos realizada com sucesso
Um método espetroscópico para analisar os movimentos extremamente rápidos dos electrões nos sólidos pode agora ser utilizado muito mais facilmente do que antes, graças a uma nova extensão. Os investigadores da Universidade de Oldenburg apresentam o novo método na revista Optica. A equipa espera que a espetroscopia eletrónica multidimensional deixe de ser um método para especialistas e passe a ser uma ferramenta versátil.
Os movimentos extremamente rápidos e as interações dos electrões nas moléculas e nos sólidos permaneceram durante muito tempo escondidos da observação direta. Desde há algum tempo, estes processos físicos quânticos - como as reacções químicas, a conversão da luz solar em eletricidade nas células solares, mas também os processos elementares nos computadores quânticos - podem ser investigados em tempo real com uma resolução temporal de alguns femtossegundos (quadrilionésimos de segundo) utilizando o método da espetroscopia eletrónica multidimensional (2DES). No entanto, o método é muito complexo e, por isso, até à data, só foi utilizado por alguns grupos de investigação em todo o mundo. Uma equipa germano-italiana liderada pelo Prof. Dr. Christoph Lienau da Universidade de Oldenburg conseguiu agora simplificar significativamente a aplicação do método. "Esperamos que o 2DES deixe de ser uma metodologia para especialistas e passe a ser uma ferramenta que pode ser utilizada de muitas formas diferentes", explica Lienau.
Os dois estudantes de doutoramento Daniel Timmer e Daniel Lünemann do grupo de trabalho "Ultrafast Nano-Optics" de Lienau desempenharam um papel fundamental na descoberta. A equipa descreve o procedimento na revista científica Optica.
No processo 2DES, os materiais são irradiados com três impulsos laser ultracurtos em rápida sucessão. Os dois primeiros impulsos têm de ser cópias idênticas. São utilizados para excitar o processo a ser investigado no material - por exemplo, para mover os electrões num semicondutor ou num corante para um estado de energia mais elevado. Isto altera as propriedades ópticas do material. O terceiro impulso de laser, o chamado impulso de sonda, interage com o sistema excitado, altera o processo e, assim, fornece informações sobre o estado do sistema.
Ao variar o intervalo de tempo entre os três impulsos, podem ser determinadas diferentes informações sobre o sistema analisado. Se o tempo entre os impulsos de excitação e o impulso de amostra for alterado, o processo em investigação pode ser registado em diferentes fases, de modo a que a sequência temporal se torne visível como num filme. O intervalo entre os impulsos de excitação também pode ser variado. Isto permite visualizar os pormenores de processos particularmente complexos, como a transferência de energia durante a fotossíntese. "O método 2DES é muito exigente do ponto de vista experimental", sublinha Lienau. O problema consiste em controlar com precisão o intervalo de tempo entre os dois primeiros impulsos laser idênticos e a sua forma.
No novo estudo, a equipa de Lienau descreve uma possível solução para o problema. A ideia dos estudantes de doutoramento de Oldenburg, Daniel Timmer e Daniel Lünemann, baseia-se num método chamado TWINS, que o físico italiano Prof. Dr. Giulio Cerullo, da Universidade Politécnica de Milão, apresentou há alguns anos. Cerullo, que é também coautor do estudo atual, desenvolveu o chamado interferómetro, que utiliza cristais birrefringentes para criar dois impulsos idênticos com um curto intervalo de tempo a partir de um impulso laser. Estes são utilizados para excitar o sistema desejado. Embora este método seja consideravelmente mais fácil de realizar do que outros métodos utilizados para gerar impulsos, tem outras limitações. "O método ainda não oferecia todas as funcionalidades de um espetrómetro eletrónico multidimensional", diz Lienau. Os peritos tinham assumido que a tecnologia desenvolvida por Cerullo era fundamentalmente incapaz de alcançar esta funcionalidade.
No entanto, Timmer e Lünemann acrescentaram agora ao interferómetro de Cerullo um componente ótico, a chamada placa de atraso, que atrasa o sinal luminoso que a atravessa numa determinada fração de comprimento de onda. Esta extensão relativamente simples permitiu aos dois investigadores controlar os dois impulsos laser com muito mais precisão do que com o interferómetro TWINS original.
Os investigadores implementaram a ideia experimentalmente e demonstraram as possibilidades melhoradas investigando os movimentos de carga num corante orgânico. A equipa também apresentou uma explicação teórica para o novo método. Timmer, Lünemann e Lienau obtiveram entretanto uma patente para o método de interferometria alargada.
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