Três cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Física na terça-feira, dia 3 de outubro de 2023, por nos proporcionar o primeiro vislumbre de frações de segundo no mundo super-rápido dos elétrons giratórios, um campo que poderia um dia levar a melhorias na eletrônica ou diagnósticos de doenças.
O prêmio foi concedido à física franco-sueca Anne L’Huillier, ao cientista francês Pierre Agostini e ao húngaro Ferenc Krausz, pelo trabalho com a minúscula parte de cada átomo que circula ao redor do núcleo e é fundamental para praticamente tudo: química, física, nossos corpos e nossos dispositivos.
Os elétrons se movem tão rapidamente que estiveram fora do alcance dos esforços humanos para isolá-los, mas, ao olhar para a fração de segundo mais curta possível, os cientistas agora têm uma visão “borrada” deles, o que abre caminho para novas ciências, afirmaram os especialistas.
“Os elétrons são muito rápidos, e eles são realmente a força de trabalho em todos os lugares”, disse o membro do Comitê Nobel, Mats Larsson. “Uma vez que você pode controlar e entender os elétrons, deu um grande passo à frente.”
L’Huillier, da Universidade de Lund, na Suécia, é a quinta mulher a receber um Nobel em física.
“Para todas as mulheres, digo se vocês estão interessadas, se têm um pouco de paixão por esse tipo de desafio, então sigam em frente”, disse ela à Associated Press.
Os cientistas, que trabalharam separadamente, usaram pulsos a laser cada vez mais rápidos para capturar a ação atômica que ocorreu em velocidades vertiginosas – um quintilhão de segundo, conhecido como attosegundo – assim como os fotógrafos usam obturadores rápidos para capturar um beija-flor se alimentando.
“Vamos pegar um segundo, que é o tempo de um batimento cardíaco”, disse a presidente do Comitê Nobel, Eva Olsson. Para chegar ao reino do attosegundo, seria preciso dividir esse segundo por 1.000 seis vezes.
O físico Mark Pearce, membro do Comitê Nobel, disse que “há tantos attosegundos em um segundo quantos são os segundos que se passaram desde o Big Bang, há 13,8 bilhões de anos.”
Mas mesmo quando os cientistas “veem” o elétron, há apenas tanto que podem observar.
“Você pode ver se ele está de um lado da molécula ou do outro”, disse L’Huillier, de 65 anos. “Ainda é muito embaçado.”
“Os elétrons são muito mais como ondas, como ondas de água, do que partículas, e o que tentamos medir com nossa técnica é a posição do topo das ondas”, acrescentou.
Os elétrons são essenciais porque é “assim que os átomos se ligam”, disse L’Huillier. É onde ocorrem as reações químicas.
“Os elétrons são, mesmo que não possamos vê-los, onipresentes em nossa vida – nossa vida biológica e também nossa vida técnica, em nosso cotidiano”, disse Krausz em uma coletiva de imprensa. “Em nossa vida biológica, os elétrons formam a cola entre os átomos, com os quais eles formam moléculas e essas moléculas são então as menores unidades funcionais de todo organismo vivo.”
E se você quiser entender como eles funcionam, você precisa saber como eles se movem, disse Krausz.
No momento, essa ciência se trata de entender nosso universo, mas a esperança é que ela eventualmente tenha aplicações práticas na eletrônica, no diagnóstico de doenças e na química básica.
L’Huillier disse que seu trabalho mostra o quão importante é trabalhar na ciência fundamental, independentemente das aplicações futuras: ela passou 30 anos nisso antes que possíveis usos no mundo real se tornassem mais evidentes.
L’Huillier estava ensinando física básica de engenharia para cerca de 100 estudantes de graduação em Lund quando recebeu a ligação informando que tinha vencido, mas seu telefone estava no modo silencioso e ela não atendeu. Ela o verificou durante um intervalo e ligou para o Comitê Nobel.
“Eu estava muito concentrada, esqueci o Prêmio Nobel e tentei terminar minha palestra”, disse ela à AP. Ela terminou a aula um pouco mais cedo para poder falar na coletiva de imprensa que anunciou o prêmio na Academia Real de Ciências da Suécia, em Estocolmo.
“Este é o mais prestigioso e estou muito feliz em receber este prêmio. É incrível”, disse ela na coletiva de imprensa. “Como vocês sabem, não são tantas mulheres que receberam esse prêmio, então é muito especial.”
A organização do Nobel postou uma foto de L’Huillier nas redes sociais segurando um telefone celular junto ao ouvido.
“Alerta professora dedicada!” dizia a postagem no Twitter. “Nem mesmo o Prêmio Nobel de Física de 2023 poderia separar Anne L’Huillier de seus alunos.”
E L’Huillier disse que, como o prêmio era um segredo na época, não foi autorizada a contar aos alunos o que aconteceu, mas ela disse que eles adivinharam.
Agostini, professor emérito da Universidade Estadual de Ohio, estava em Paris e não pôde ser localizado pelo Comitê Nobel antes que seu prêmio fosse anunciado ao mundo.
“Não recebi uma ligação do comitê. Talvez não seja verdade. Eu não sei”, disse ele à AP, rindo. “Acho que o comitê está me procurando em Columbus.”
“Há certamente pessoas mais jovens que teriam apreciado muito mais do que eu”, brincou o homem de 82 anos. “É bom, mas é um pouco tarde para mim.”
Mas ele acrescentou: “Eu não acho que eu teria merecido mais cedo!”
Krausz, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica e da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, disse aos repórteres que estava perplexo.
“Tenho tentado descobrir desde as 11 horas… se estou na realidade ou é apenas um longo sonho”, disse o homem de 61 anos.
A ligação do comitê Nobel dizia “sem identificação de chamada” e Krausz normalmente não atende a essas chamadas, mas desta vez, ele disse: “Pensei em tentar e, em seguida, ficou claro que eu não poderia desligar tão rapidamente.”
No ano passado, Krausz e L’Huillier ganharam o prestigioso prêmio Wolf em física por seu trabalho, compartilhando-o com o cientista da Universidade de Ottawa, Paul Corkum. Os prêmios Nobel são limitados a apenas três vencedores e Krausz disse que foi uma pena que não pudessem incluir Corkum.
Corkum foi fundamental para medir como os flashes de laser de fração de segundo podiam ser medidos, o que foi crucial, disse Krausz.
ABAIXO O ANÚNCIO OFICIAL DO PRÊMIO NOBEL DE FÍSICA DE 2023
A Academia Real de Ciências da Suécia decidiu conceder o Prêmio Nobel de Física de 2023 a Pierre Agostini Universidade Estadual de Ohio, Columbus, EUA Ferenc Krausz Instituto Max Planck de Óptica Quântica, Garching e Universidade Ludwig-Maximilians de Munique, Alemanha Anne L’Huillier Universidade de Lund, Suécia “por métodos experimentais que geram pulsos de luz de attosegundo para o estudo da dinâmica dos elétrons na matéria” Os três laureados com o Prêmio Nobel de Física de 2023 estão sendo reconhecidos por seus experimentos, que deram à humanidade novas ferramentas para explorar o mundo dos elétrons dentro de átomos e moléculas. Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier demonstraram uma maneira de criar pulsos de luz extremamente curtos que podem ser usados para medir os processos rápidos nos quais os elétrons se movem ou mudam de energia.
Eventos em alta velocidade se misturam quando percebidos pelos humanos, assim como um filme composto por imagens estáticas é percebido como movimento contínuo. Se quisermos investigar eventos realmente breves, precisamos de tecnologia especial. No mundo dos elétrons, as mudanças ocorrem em alguns décimos de attosegundo – um attosegundo é tão curto que existem tantos em um segundo quanto segundos decorreram desde o nascimento do universo.
Os experimentos dos laureados produziram pulsos de luz tão curtos que são medidos em attosegundos, demonstrando assim que esses pulsos podem ser usados para fornecer imagens dos processos dentro de átomos e moléculas.
Em 1987, Anne L’Huillier descobriu que muitos sobretomos diferentes da luz surgiam quando ela transmitia luz a laser infravermelha através de um gás nobre. Cada sobretom é uma onda de luz com um número determinado de ciclos para cada ciclo na luz a laser. Eles são causados pela interação da luz a laser com átomos no gás, dando a alguns elétrons energia extra que é então emitida como luz. Anne L’Huillier continuou a explorar esse fenômeno, lançando as bases para avanços subsequentes.
Em 2001, Pierre Agostini conseguiu produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, em que cada pulso durava apenas 250 attosegundos. Ao mesmo tempo, Ferenc Krausz estava trabalhando em outro tipo de experimento, que permitia isolar um único pulso de luz que durava 650 attosegundos.
As contribuições dos laureados permitiram a investigação de processos tão rápidos que antes eram impossíveis de seguir.
“Agora podemos abrir a porta para o mundo dos elétrons. A física de attosegundos nos dá a oportunidade de entender mecanismos governados pelos elétrons. O próximo passo será utilizá-los”, diz Eva Olsson, presidente do Comitê Nobel de Física.
Existem aplicações potenciais em diversas áreas. Na eletrônica, por exemplo, é importante entender e controlar como os elétrons se comportam em um material. Os pulsos de attosegundo também podem ser usados para identificar diferentes moléculas, como em diagnósticos médicos.
Por meio de seus experimentos, os laureados deste ano criaram flashes de luz suficientemente curtos para capturar os movimentos extremamente rápidos dos elétrons. Anne L’Huillier descobriu um novo efeito da interação da luz a laser com átomos em um gás. Pierre Agostini e Ferenc Krausz demonstraram que esse efeito pode ser usado para criar pulsos de luz mais curtos do que eram possíveis anteriormente.
Um pequeno beija-flor pode bater as asas 80 vezes por segundo. Só podemos perceber isso como um som zumbido e um movimento borrado. Para os sentidos humanos, movimentos rápidos se misturam, e eventos extremamente curtos são impossíveis de observar. Precisamos usar truques tecnológicos para capturar ou representar esses instantes muito breves.
Fotografia em alta velocidade e iluminação estroboscópica tornam possível capturar imagens detalhadas de fenômenos fugazes. Uma fotografia altamente focada de um beija-flor em voo requer um tempo de exposição muito mais curto do que uma única batida de asa.
Quanto mais rápido o evento, mais rápido a imagem precisa ser capturada para capturar o instante.
O mesmo princípio se aplica a todos os métodos usados para medir ou representar processos rápidos; qualquer medição deve ser feita mais rapidamente do que o tempo que o sistema em estudo leva para sofrer uma mudança perceptível, caso contrário, o resultado é vago. Os laureados deste ano realizaram experimentos que demonstram um método para produzir pulsos de luz que são suficientemente curtos para capturar imagens dos processos dentro de átomos e moléculas.
A escala de tempo natural dos átomos é incrivelmente curta. Em uma molécula, os átomos podem se mover e girar em milionésimos de bilionésimo de segundo, femtossegundos. Esses movimentos podem ser estudados com os pulsos mais curtos que podem ser produzidos com um laser – mas quando átomos inteiros se movem, a escala de tempo é determinada por seus núcleos grandes e pesados, que são extremamente lentos em comparação com os elétrons leves e ágeis.
Quando os elétrons se movem dentro de átomos ou moléculas, eles o fazem tão rapidamente que as mudanças são borradas em um femtossegundo. No mundo dos elétrons, posições e energias mudam em velocidades entre um e alguns centenas de attosegundos, onde um attosegundo é um bilionésimo de bilionésimo de segundo.
Um attosegundo é tão curto que o número deles em um segundo é o mesmo que o número de segundos que se passaram desde o nascimento do universo, há 13,8 bilhões de anos. Em uma escala mais compreensível, podemos imaginar um flash de luz sendo enviado de uma ponta de uma sala para a parede oposta – isso leva dez bilhões de attosegundos.
Um femtossegundo era considerado por muito tempo o limite para os flashes de luz mais curtos que era possível produzir.
Melhorar a tecnologia existente não era suficiente para ver processos ocorrendo nas incrivelmente breves escalas de tempo dos elétrons; algo completamente novo era necessário. Os laureados deste ano realizaram experimentos que abriram o novo campo de pesquisa da física de attosegundos.
A luz consiste em ondas – vibrações em campos elétricos e magnéticos – que se movem pelo vácuo mais rápido do que qualquer outra coisa. Essas ondas têm diferentes comprimentos de onda, equivalentes a diferentes cores. Por exemplo, a luz vermelha tem um comprimento de onda de cerca de 700 nanômetros, um centésimo da largura de um fio de cabelo, e oscila cerca de quatrocentos e trinta mil bilhões de vezes por segundo. Podemos pensar no pulso de luz mais curto possível como o comprimento de um único período na onda de luz, o ciclo em que ela sobe até um pico, desce até um vale e retorna ao ponto de partida. Nesse caso, os comprimentos de onda usados nos sistemas a laser comuns nunca conseguem ficar abaixo de um femtossegundo, por isso, na década de 1980, esse era considerado o limite rígido para os flashes de luz mais curtos possíveis.
A matemática que descreve as ondas demonstra que qualquer forma de onda pode ser construída se forem usadas ondas suficientes dos tamanhos, comprimentos de onda e amplitudes certos (distâncias entre picos e vales). O truque dos pulsos de attosegundo é que é possível criar pulsos mais curtos combinando mais e mais comprimentos de onda mais curtos.
Observar os movimentos dos elétrons em escala atômica requer pulsos de luz suficientemente curtos, o que significa combinar ondas curtas de muitos comprimentos de onda diferentes.
Para adicionar novos comprimentos de onda à luz, é necessário mais do que apenas um laser; a chave para acessar o instante mais curto já estudado é um fenômeno que ocorre quando a luz a laser passa por um gás. A luz interage com seus átomos e causa sobretons – ondas que completam um número de ciclos inteiros para cada ciclo na onda original. Podemos comparar isso aos sobretons que dão a um som seu caráter específico, permitindo-nos distinguir a diferença entre a mesma nota tocada em um violão e em um piano.
Em 1987, Anne L’Huillier e seus colegas em um laboratório francês conseguiram produzir e demonstrar sobretons usando um feixe de laser infravermelho que foi transmitido através de um gás nobre. A luz infravermelha causou mais e mais fortes sobretons do que o laser com comprimentos de onda mais curtos que haviam sido usados em experimentos anteriores. Neste experimento, muitos sobretons de intensidade de luz aproximadamente igual foram observados.
Em uma série de artigos, L’Huillier continuou a explorar esse efeito durante a década de 1990, inclusive em sua nova base, a Universidade de Lund. Seus resultados contribuíram para a compreensão teórica desse fenômeno, lançando as bases para a próxima descoberta experimental.
Quando a luz do laser entra no gás e afeta seus átomos, ela causa vibrações eletromagnéticas que distorcem o campo elétrico que mantém os elétrons ao redor do núcleo atômico. Os elétrons podem então escapar dos átomos. No entanto, o campo elétrico da luz vibra continuamente e, quando muda de direção, um elétron solto pode se apressar de volta para o núcleo de seu átomo. Durante a excursão do elétron, ele coleta muita energia extra do campo elétrico da luz do laser e, para se reconectar ao núcleo, ele deve liberar seu excesso de energia como um pulso de luz. Esses pulsos de luz dos elétrons são o que criam os sobretons que aparecem nos experimentos.
A energia da luz está associada ao seu comprimento de onda. A energia nos sobretons emitidos é equivalente à luz ultravioleta, que tem comprimentos de onda mais curtos do que a luz visível ao olho humano. Como a energia vem das vibrações da luz do laser, a vibração dos sobretons será elegantemente proporcional ao comprimento de onda do pulso de laser original. O resultado da interação da luz com muitos átomos diferentes são diferentes ondas de luz com um conjunto específico de comprimentos de onda.
Uma vez que esses comprimentos de onda adicionais foram criados na luz, o próximo passo era usá-los para criar pulsos mais curtos. Para fazer isso, Pierre Agostini e sua equipe usaram um par de pulsos de laser infravermelho de curta duração para liberar elétrons de átomos em uma placa metálica. Os elétrons foram liberados por um dos pulsos e depois direcionados para a placa por um segundo pulso.
Os pulsos de attosegundo foram criados em uma série de experimentos independentes realizados por outros pesquisadores, incluindo Ferenc Krausz e sua equipe, que estavam em Munique, Alemanha.
A eletrônica é um campo onde essa nova tecnologia pode ter um grande impacto. Ela se baseia na capacidade de controlar o movimento dos elétrons em materiais. Se entendermos como os elétrons se movem em detalhes, poderemos criar novos materiais ou aprimorar os já existentes. Compreender o movimento dos elétrons também é importante para diagnósticos médicos. Nosso corpo é constituído por moléculas que são construídas a partir de átomos, que por sua vez são compostos por núcleos e elétrons. Os pulsos de luz de attosegundo podem ser usados para identificar diferentes moléculas, permitindo diagnósticos precisos. Estudos também podem ser feitos para entender como diferentes tipos de medicamentos afetam moléculas no corpo.
“Agora temos uma ferramenta que nos permite investigar o comportamento dos elétrons em átomos e moléculas em escala de attosegundos. Estamos ansiosos para ver quais avanços nas ciências naturais e na medicina esses laureados ainda nos proporcionarão”, diz Göran K. Hansson, secretário-geral da Real Academia Sueca de Ciências.
Os laureados deste ano desenvolveram uma técnica que permitiu aos cientistas observar e medir eventos em uma escala de tempo de attosegundos. Essa conquista abriu um novo campo de pesquisa, conhecido como física de attosegundos, que tem aplicações potenciais em várias áreas, incluindo eletrônica, diagnóstico médico e química.
A eletrônica moderna depende da compreensão e controle do comportamento dos elétrons em materiais. Com a capacidade de observar e medir os movimentos dos elétrons em uma escala de tempo de attosegundos, os cientistas podem obter informações valiosas para o desenvolvimento de novos materiais eletrônicos e dispositivos mais rápidos.
Além disso, os pulsos de attosegundo podem ser usados para identificar e estudar diferentes moléculas, o que tem aplicações potenciais no diagnóstico médico. Essa técnica pode ajudar os cientistas a entender como diferentes tipos de medicamentos interagem com moléculas no corpo, o que pode levar a avanços no campo da medicina.
Em resumo, os laureados do Prêmio Nobel de Física de 2023 abriram uma nova janela para o estudo dos elétrons em uma escala de tempo extremamente curta, o que tem implicações significativas em diversas áreas da ciência e da tecnologia. Suas contribuições têm o potencial de levar a avanços importantes no futuro.
FONTES:
https://phys.org/news/2023-10-scientists-nobel-prize-physics-electrons.html
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/
https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/popular-physicsprize2023.pdf
