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Shine light on an atom and its electrons respond. At the FERMI free-electron laser in Trieste, Italy, a team led by Ulli Eichmann of the Max Born Institute in Berlin has shown that it can steer that response with extreme ultraviolet light (XUV). By changing the phase of the pulses, the researchers decided whether two quantum routes inside a helium atom reinforced each other or cancelled out. The work is published in Nature Photonics.
Basta iluminar um átomo para que os seus electrões reajam. No laser de electrões livres FERMI, em Trieste, Itália, uma equipa liderada por Ulli Eichmann, do Instituto Max Born, em Berlim, mostrou que é possível orientar essa reação com luz ultravioleta extrema (XUV). Ao alterar a fase dos impulsos, os investigadores decidiram se duas vias quânticas no interior de um átomo de hélio se reforçavam ou se anulavam. O trabalho foi publicado na Nature Photonics.
Quantum mechanics allows a process to happen along several paths at once. An electron can reach the same final state by different routes, and those routes either add up or cancel, much like overlapping ripples on the surface of water. The researchers created two competing routes to excite a bound state in helium, using a method called stimulated Raman excitation with XUV pulses. Matthieu Génévriez, a researcher at UCLouvain and one of the authors, describes the effect in plain terms: “it's a little bit as if we could eject an electron from an atom and then bring it back home with light.”
A mecânica quântica permite que um processo ocorra por vários caminhos em simultâneo. Um electrão pode chegar ao mesmo estado final por rotas diferentes, e essas rotas somam-se ou anulam-se, um pouco como ondulações sobrepostas à superfície da água. Os investigadores criaram duas vias concorrentes para excitar um estado ligado no hélio, recorrendo a um método designado excitação Raman estimulada com impulsos XUV. Matthieu Génévriez, investigador da UCLouvain e um dos autores, descreve o efeito em termos simples: «é um pouco como se pudéssemos ejetar um electrão de um átomo e depois trazê-lo de volta a casa com luz.»
Visible and infrared lasers have been the workhorses of this kind of probing for decades. Stimulated Raman scattering and related techniques already follow chemical reactions and electronic motion with those wavelengths. Extending them into the XUV, a region the team calls a long-standing challenge, required a light source few facilities can provide. Eichmann says the experiment shows the methods “can now be brought into the extreme ultraviolet,” opening “new possibilities for imaging and manipulating matter with unprecedented spatial resolution.”
A luz visível e infravermelha é há décadas o instrumento de trabalho deste tipo de sondagem. A dispersão Raman estimulada e técnicas afins já permitem seguir reações químicas e o movimento dos electrões com esses comprimentos de onda. Estendê-las ao XUV, região que a equipa considera um desafio antigo, exigia uma fonte de luz que poucas instalações conseguem oferecer. Eichmann afirma que a experiência mostra que os métodos «podem agora ser levados para o ultravioleta extremo», abrindo «novas possibilidades para obter imagens e manipular a matéria com resolução espacial sem precedentes».
For chemists and materials scientists, the appeal lies in the element-specific nature of the light. XUV and X-ray photons reach electrons close to atomic nuclei, where each chemical element carries its own electronic fingerprint. The team believes the concepts shown here could eventually lead to a new generation of imaging and spectroscopy tools, able to track electronic motion and chemical transformations at the smallest scales. It has not published a timeline for such instruments, and the experiment is a laboratory demonstration carried out on helium alone.
Para químicos e cientistas de materiais, o interesse está na natureza específica de cada elemento da luz. Os fotões XUV e de raios X atingem os electrões próximos dos núcleos atómicos, onde cada elemento químico tem a sua própria «impressão digital» electrónica. A equipa acredita que os conceitos apresentados poderão, um dia, dar origem a uma nova geração de ferramentas de imagem e espectroscopia, capazes de seguir o movimento dos electrões e as transformações químicas às menores escalas. A equipa não publicou qualquer calendário para estes instrumentos, e a experiência é uma demonstração laboratorial feita apenas com hélio.