A Real Academia Sueca de Ciências tem o prazer de anunciar o 3 de outubro que Prêmio Nobel de Física 2023 será concedido aos destacados cientistas Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier por suas contribuições pioneiras na geração e aplicação de pulsos de luz de attossegundos, uma tecnologia revolucionária que permite explorar o mundo microscópico com uma precisão sem precedentes.
Índice
- O que são lasers de attosegundos e attosegundos?
- Pulsos de luz Attosecond impulsionam a pesquisa científica
- Perspectivas de aplicação da óptica de attosegundo na área médica
- Perspectivas para lasers de attosegundo como um impulso para a nova era da tecnologia da informação eletrônica
- Impacto da tecnologia Attosecond na indústria energética
- O profundo impacto da tecnologia Attosecond no futuro da humanidade
O que são lasers de attosegundos e attosegundos?
Um attosegundo é uma unidade de tempo igual a um bilionésimo de bilionésimo de segundo., que é expresso como 10 ^(-18) segundos. Em contraste com picossegundos e femtossegundos, que são padrões na medição do tempo, attosegundos oferecem uma precisão muito maior, permitindo a observação de eventos e movimentos extremamente rápidos e fugazes. A pesquisa em attosegundos é de grande relevância, pois fornece aos cientistas uma ferramenta e um método completamente novos para explorar em profundidade as leis e propriedades que governam o movimento das partículas microscópicas no mundo da matéria..
Frequentemente, As pessoas associam lasers a cores, mas na realidade, A cor de um laser é determinada pela sua frequência ou comprimento de onda. Existe uma relação simples entre a frequência e o comprimento de onda de um laser, e seu produto é igual à velocidade da luz. Para especialistas na área, a descrição de um laser inclui um parâmetro crítico: duração do pulso, também conhecido como largura de pulso.
A duração do pulso refere-se ao intervalo de tempo entre os pulsos do laser, quer dizer, o período que separa cada emissão de laser. Inicialmente, lasers emitiam luz continuamente, como um riacho que flui sem interrupção. Porém, Os cientistas descobriram que, ao dividir a emissão do laser em pulsos, foi possível obter maior poder. Quanto menor a duração do pulso de um laser, maior será sua frequência de emissão e, em consequência, maior será a energia de cada pulso de laser.
O laser de attosegundo
O laser de attosegundo é o laser com o menor intervalo de tempo já criado pela humanidade, uma conquista que rendeu o Prêmio Nobel de Física deste ano aos seus criadores. A técnica para gerar lasers de attossegundos envolve impactar um laser de femtossegundos em um gás inerte, levando à geração de lasers de attossegundos com duração de pulso ainda mais curta. Diferentes gases inertes chocados geram diferentes tipos de luz de attossegundos.
Em termos concretos, Esta tecnologia é baseada na interação não linear entre o laser e a matéria. Quando um poderoso laser atinge moléculas de gás, remove elétrons dos núcleos atômicos, criando um plasma. Esses elétrons são acelerados pelo campo do laser e então atraídos de volta aos núcleos, liberando raios X de alta energia. Esses raios X são pulsos de luz de attossegundos, que têm alta frequência e coerência, o que lhes permite passar pela matéria e ter intensas interações com os elétrons.
Pesquisa em Attosegundos
A pesquisa do Attosecond começou a receber ampla atenção e estudo no final do século XX e início do século XXI.. Dentro 1999, O cientista Ahmed Zewail recebeu o Prêmio Nobel de Química por sua pesquisa em espectroscopia de femtossegundos, marcando um marco significativo na pesquisa de attossegundos. Então, com o desenvolvimento e aplicação de lasers ultracurtos e ultrafortes, Esta tecnologia recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2018. Este ano, pesquisa em lasers de attosegundos foi novamente reconhecida com o Prêmio Nobel de Física, reafirmando sua importância na ciência.
Na atualidade, os pulsos ópticos mais curtos do mundo duram 53 attosegundos e 43 attosegundos. Esta unidade de tempo é tão efêmera que pode ser descrita de muitas maneiras interessantes.. Por exemplo, a nivel de attosegundos, A distância que a luz pode percorrer é apenas o comprimento de uma molécula de água.. Outra maneira de ilustrar sua transitoriedade é comparando 1 attosegundo com 1 segundo, o que equivale a comparar 1 segundo com a idade do universo, destacando a brevidade e a pequena escala de tempo dos attosegundos.
Pulsos de luz Attosecond impulsionam a pesquisa científica
A tecnologia de pulso de luz Attosecond forneceu à comunidade científica uma ferramenta incomparável para observar e controlar o movimento dos elétrons, o que permitiu avançar na compreensão de processos rápidos e complexos na matéria. Suas aplicações se estendem a uma ampla gama de disciplinas:
Física de átomos e moléculas
Pulsos de attosegundo são usados para investigar a estrutura eletrônica e a dinâmica de átomos e moléculas, incluindo processos como imagens de órbitas de elétrons, ionização e excitação.
Física do estado sólido
Esses pulsos são aplicados ao estudo de propriedades eletrônicas, Fonônico e magnético em materiais sólidos, permitindo investigar mudanças ultrarrápidas nessas propriedades.
Cinética das Reações Químicas
Os cientistas os usam para investigar os mecanismos microscópicos das reações químicas, que inclui a compreensão das coordenadas de reação, estados de transição e taxas de reação.
Biofísica Molecular
A tecnologia é usada para estudar a estrutura e função de moléculas biológicas, que tem aplicações no estudo de proteínas e outras moléculas essenciais à vida.
Nanóptica
Permite investigar fenómenos ópticos a escala nanométrica, como plasmons de superfície e respostas ópticas de nanoestruturas.
Ciência de raios X
Pulsos de attosegundo são usados para gerar raios X de alta luminosidade, que permite resolução temporal e espacial em técnicas de raios X.
Perspectivas de aplicação da óptica de attosegundo na área médica
No campo da medicina e biologia, A óptica de attosegundo tem sido amplamente utilizada para imagens, a análise e diagnóstico de células e tecidos.
A tecnologia de imagem Attosecond fornece imagens tridimensionais de alta resolução que permitem a observação da microestrutura e funcionalidade de células e tecidos. Por exemplo, O microscópio de attosegundo permite a observação de movimentos moleculares e reações químicas dentro das células, o que facilita o estudo do metabolismo celular e transmissão de sinal. Além do mais, A imagem de attosegundo é usada para investigar a atividade dos neurônios e a função cerebral, permitindo a observação de sinais elétricos neuronais e sinais de cálcio, e facilita o estudo da cognição e comportamento cerebral.
Em última instância, pulsos de luz de attosegundo ajudarão a entender, no nível microscópico (em termos de movimento de elétrons), as causas, o desenvolvimento e formação fundamental de doenças. Por exemplo, pulsos de luz de attosegundo podem ser usados para identificar marcadores de câncer. No caso de transformação maligna de células normais, diagnóstico e tratamento precoces são cruciais. Porém, nos estágios iniciais do câncer, os sinais das células malignas são muito fracos e são atenuados milhares de vezes. Quando os métodos convencionais não conseguem detectar esses sinais, pulsos de luz de attosegundos podem extraí-los com grande sensibilidade.
No futuro, Espera-se que a tecnologia Attosecond permita o controle completo dos processos de reação bioquímica, que levará aos resultados pretendidos e desejados.
Perspectivas para lasers de attosegundo como um impulso para a nova era da tecnologia da informação eletrônica
A eletrônica moderna está avançando em direção à escala atômica, tanto em termos de tempo quanto de espaço, o que significa que existe a possibilidade de fabricar circuitos em nível atômico e controlar a corrente por meio de campos fotoelétricos.
A tecnologia de pulso de luz Attosecond abriu o caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos ultrahertz, o que poderia aumentar a velocidade operacional de dispositivos eletrônicos em várias ordens de grandeza e possivelmente resolver o problema de aquecimento excessivo de dispositivos eletrônicos. Isto poderia tornar-se um motor chave de uma nova revolução na tecnologia da informação electrónica..
De acordo com uma pesquisa publicada na revista Nature, 12 de outubro, Pesquisadores da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, e da Universidade de Regensburg, na Alemanha, conseguiram capturar o movimento dos elétrons em centenas de attossegundos, velocidade mais rápida registrada até agora. Observar o movimento dos elétrons em incrementos de attossegundos poderia aumentar a velocidade de processamento dos computadores em até um bilhão de vezes hoje..
Impacto da tecnologia Attosecond na indústria energética
Dentro 2013, O Laboratório de Física Attosecond do Instituto Max Planck de Óptica, na Alemanha, descobriu que pulsos de laser ultracurtos de alta potência podem modificar as propriedades elétricas de Materiais isolantes, gerando oscilações elétricas ultrarrápidas e corrente nos isoladores. Essas oscilações elétricas e de corrente estão diretamente relacionadas à ativação e desativação do laser incidente., sugerindo que a conversão de um isolador em condutor ocorre em questão de attossegundos. Este experimento demonstra que as propriedades básicas de condução dos materiais podem aumentar ou diminuir com a velocidade de oscilação do campo de luz..
Se é possível transformar isoladores em condutores usando tecnologia attosecond, los cabos para eletricidade do futuro poderia conseguir transferência e armazenamento de energia mais rápidos e eficientes. Atualmente, pulsos de luz de attossegundos são usados para investigar mecanismos de transferência de carga entre elétrons e buracos em novos materiais, que permite controlar o processo de transferência eletrônica e avançar na pesquisa em tecnologias supercondutoras.
A tecnologia Attosecond também pode ser usada para estudar mecanismos microscópicos de conversão e armazenamento de energia., como em sistemas de painéis solares, células de combustível e baterias. Isto contribuirá para o desenvolvimento de tecnologias energéticas mais eficientes e sustentáveis..
O profundo impacto da tecnologia Attosecond no futuro da humanidade
A tecnologia de pulso de luz Attosecond tem potencial para gerar avanços significativos nos campos científico e tecnológico, tornando-se uma das direções de desenvolvimento mais importantes na ciência do laser para a próxima década.
Os laureados com o Prêmio Nobel de Física 2023, Pedro Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier, abriram caminho para uma nova era de pesquisa e aplicação de attossegundos. Seu trabalho revolucionou nossa capacidade de explorar e compreender o mundo microscópico., e suas contribuições terão um impacto duradouro na ciência, tecnologia e sociedade em geral. O futuro promete avanços extraordinários graças a esta tecnologia inovadora.