Cientistas ultrapassam limite da física ao gerar raios X com efeito quântico inesperado

Cientistas conseguiram produzir raios X com energias superiores a um limite estabelecido pela teoria convencional da física de lasers. O resultado foi obtido por meio da interação entre dois elétrons de átomos de hélio, que liberaram energia simultaneamente após serem atingidos por pulsos de laser ultravioleta.

A descoberta foi realizada por pesquisadores da Universidade Técnica de Viena (TU Wien), na Áustria, em colaboração com a Universidade da Califórnia em San Diego, nos Estados Unidos. Os resultados foram publicados na revista científica Nature Photonics.

O limite previsto pela física de lasers

Durante décadas, a teoria convencional estabeleceu um limite máximo de energia para os raios X produzidos por determinados processos de interação entre lasers e átomos. Esse mecanismo ocorre quando um laser intenso remove um elétron de um átomo.

A partícula é acelerada pelo campo elétrico da luz e, posteriormente, pode retornar ao átomo de origem. Durante esse retorno, parte da energia adquirida é liberada na forma de radiação com frequência superior à do laser utilizado.

O processo é conhecido como geração de harmônicos de alta ordem e permite produzir pulsos extremamente curtos de luz. Entretanto, o modelo convencional, baseado no comportamento de um único elétron, prevê um limite de energia acima do qual a intensidade da radiação diminui drasticamente.

O novo experimento demonstrou que esse limite pode ser ultrapassado quando dois elétrons participam do processo de maneira correlacionada.

Como dois elétrons conseguiram produzir raios X mais energéticos?

Para investigar o fenômeno, os pesquisadores utilizaram pulsos intensos de laser ultravioleta direcionados a átomos de hélio. O elemento possui dois elétrons, que foram removidos sucessivamente pela ação do campo elétrico.

Embora tenham sido liberadas em momentos diferentes, as partículas mantiveram correlações quânticas, fazendo com que seus comportamentos não fossem completamente independentes.

Ao controlar os pulsos de laser, a equipe conseguiu criar condições para que os dois elétrons retornassem ao átomo simultaneamente. Nesse momento, a energia combinada pôde ser liberada na forma de um único fóton de raio X, com frequência superior à prevista pelo modelo tradicional.

Segundo Dimitar Popmintchev, pesquisador da TU Wien, a liberação simultânea permite gerar fótons mais energéticos porque envolve a contribuição de dois elétrons, em vez de apenas um.

O que os cientistas observaram no experimento?

Ao analisar o espectro da radiação produzida, os pesquisadores identificaram uma segunda região de emissão em energias superiores às esperadas. Essa região, chamada de platô, apresentou intensidade menor do que a emissão principal, mas se estendeu além do limite convencional.

O fenômeno foi observado nos experimentos realizados com hélio. Testes semelhantes com argônio e neônio não apresentaram o mesmo comportamento nas condições utilizadas. Segundo os pesquisadores, essa diferença reforça a interpretação de que as correlações entre os dois elétrons do hélio são importantes para a emissão observada.

Com isso, a descoberta demonstra uma limitação do modelo convencional de um único elétron para descrever determinadas interações quânticas.

O que a descoberta pode mudar na física quântica?

Além de permitir a produção de raios X com energias mais elevadas, o fenômeno pode oferecer uma nova maneira de investigar interações entre elétrons.

Os pesquisadores sugerem que a radiação emitida poderá funcionar como uma ferramenta espectroscópica para estudar essas correlações em escalas de tempo extremamente curtas. Esses processos ocorrem em attossegundos, unidades equivalentes a um bilionésimo de bilionésimo de segundo.

A análise da energia, do espectro e da polarização da radiação poderá fornecer informações sobre o comportamento de partículas em sistemas quânticos. A equipe também considera a possibilidade de aplicar o princípio a moléculas e materiais sólidos nos quais existem fortes interações entre elétrons.

Segundo os autores, os resultados podem contribuir futuramente para pesquisas em computação quântica e desenvolvimento de nanomateriais. Essas aplicações, entretanto, ainda dependem de novas investigações.