Comentário: Como a ciência das minúsculas escalas de tempo poderia acelerar os computadores e melhorar as células solares
A professora Carla Figueira De Morisson Faria (UCL Physics & Astronomy) escreve no The Conversation sobre como a pesquisa em pulsos de laser incrivelmente curtos pode ter impactos abrangentes em uma variedade de tecnologias.
A ciência do Attosecond, o estudo conduzido por laser sobre o que acontece com a matéria em escalas de tempo muito curtas, pode levar a grandes avanços na nossa compreensão dos processos mais rápidos da natureza.
Poderia melhorar as capacidades de resolução de problemas dos computadores, desenvolver células de energia solar mais eficientes e identificar novos tratamentos médicos e melhorar os processos de diagnóstico – todas áreas vitais de investigação à medida que procuramos soluções para as alterações climáticas e formas inovadoras de combater doenças.
Um attosegundo equivale a um bilionésimo de um bilionésimo de segundo. A ciência do attosegundo – tema do prêmio Nobel de física de 2023 – envolve o uso de pulsos intensos e quase inimaginavelmente curtos de luz laser para transferir muita energia para um material “alvo”. Isso faz com que o material emita partículas de elétrons que se movem muito rapidamente junto com luz ultravioleta e raios X – permitindo que o movimento dos elétrons seja observado em tempo real.
Físicos como eu podem então medir ou prever como esses elétrons se movem, algo que normalmente não pode ser feito. E ao tornar os pulsos de attossegundos ainda mais curtos, podemos obter mais informações sobre como os elétrons se comportam.
Os elétrons são partículas extremamente pequenas – os blocos de construção da matéria – que transportam energia em átomos, biomoléculas (que poderiam atuar como novos medicamentos), nanoestruturas e metais. Controlar como os elétrons se movem e capturar isso em imagens poderia remodelar completamente a forma como vemos e interagimos com a natureza. A ciência do attosegundo já gerou novas pesquisas em áreas como attoquímica, attobiologia e attomicroscopia.
Encurtando o pulso
Nos últimos anos, os pulsos de laser usados na ciência dos attossegundos tornaram-se mais curtos e os campos de laser mais intensos. O recorde mundial para o pulso de luz mais curto é de 43 attossegundos, alcançado na universidade suíça ETH Zurique em 2017.
Isso quebrou o recorde de 53 attossegundos estabelecido meses antes por pesquisadores da Universidade da Flórida Central, que haviam quebrado o recorde mundial duas vezes nos cinco anos anteriores.
Esses pulsos extremamente curtos de attossegundos também carregam mais energia – especialmente quando gerados usando um laser de elétrons livres, que pode atingir elétrons nas profundezas dos núcleos de átomos que antes eram inacessíveis.
A ciência do Attosecond permite que os cientistas investiguem os fundamentos da física quântica sob uma gama mais ampla de condições. Uma equipe na Coreia do Sul relatou ter atingido intensidades de laser equivalentes a pegar “toda a luz solar do planeta” e comprimi-la em uma área “do tamanho de um glóbulo vermelho”.
Isto pode abrir caminho para a criação de partículas subatómicas a partir do vácuo, utilizando apenas luz – dando aos físicos uma nova forma de estudar estas partículas, os blocos de construção da matéria no nosso universo.
Na última década, a ciência do attosegundo também passou de seus materiais-alvo, que eram gases e pequenas moléculas, para sólidos e moléculas orgânicas. Mas fortes campos eletromagnéticos gerados pelos lasers podem alterar a estrutura dos alvos, ou até mesmo destruí-los – por isso pode ser um processo desafiador para os cientistas realizarem.
Em materiais como a energia fotovoltaica orgânica (usada em células solares), que contêm substâncias à base de carbono, incluindo plásticos, os elétrons interagem entre si e com o ambiente circundante quando expostos a pulsos de attossegundos.
Estudar esse comportamento pode ajudar os cientistas a melhorar a tecnologia em células solares: rastrear as primeiras frações de segundo após a luz atingir a célula pode permitir que os materiais nela contidos sejam ajustados, aumentando o desempenho.
A ciência do attosegundo poderia levar a uma melhor compreensão da fotossíntese, onde as plantas convertem a energia luminosa em energia química para sustentar a vida. O campo também poderia ser fundamental para a construção de computadores optoeletrônicos, que têm velocidades de comutação (uma medida de sua capacidade de resposta) 100 mil vezes mais rápidas do que os dispositivos eletrônicos digitais existentes.
Velocidades de comutação rápidas permitem que um dispositivo execute mais operações por segundo, o que pode permitir computadores mais rápidos.
Aplicações quânticas
A pesquisa teórica sobre o potencial de combinar a ciência do attossegundo com a computação quântica está em andamento. Pelo menos em teoria, casar os dois poderia permitir cálculos extremamente difíceis, além do que é possível com computadores convencionais. Tais dispositivos seriam possibilitados por vários princípios importantes da física quântica.
Um princípio é a “superposição”: a capacidade das partículas quânticas, como os átomos, de estarem em vários estados quânticos ao mesmo tempo. Os computadores quânticos codificam seus dados em partículas conhecidas como qubits. Portanto, se os qubits estiverem em superposição, isso significa que eles podem analisar um número extraordinariamente grande de soluções potenciais para um problema de uma só vez – uma vantagem importante sobre os computadores convencionais.
Outro princípio importante é o “emaranhamento”, onde duas ou mais partículas subatômicas se conectam. Isso permite que muitos qubits atuem de maneira coordenada, permitindo também velocidades de processamento mais rápidas.
O objetivo final é alcançar condições que permitam a engenharia precisa dos efeitos quânticos, para que possamos construir computadores quânticos que tenham usos práticos. Até agora, isto foi conseguido tentando evitar a “decoerência”, onde os qubits perdem espontaneamente as suas propriedades quânticas.
Mas os processos induzidos pela luz e as escalas de tempo extremamente curtas na ciência dos attossegundos poderiam nos dar outras opções para alcançar um melhor controle sobre os qubits em um computador quântico.
Recentemente, esquemas para usar pulsos de attossegundos em pequenas moléculas para controlar o emaranhamento e a coerência dos qubits (para que continuem a se comportar de acordo com as leis da física quântica) foram demonstrados com sucesso.
Uma parte integrante do trabalho do meu grupo na UCL é explorar novas abordagens para fenômenos de attossegundos, desenvolvendo usos para imagens ultrarrápidas e estudando efeitos quânticos em diferentes áreas.
Um campo tão vibrante traz consigo uma boa dose de controvérsia. A comunidade científica do attosecond está dividida em facções que discordam sobre vários pontos fundamentais.
Para transformar a controvérsia em discussões construtivas, cofundamos os Workshops de Batalhas Quânticas, nos quais pesquisadores em início de carreira de grupos rivais se reúnem on-line e pessoalmente para discutir temas controversos. Também realizamos uma série de seminários gratuitos chamada Atto Fridays, com palestras e discussões publicadas em nosso site.
Temos a sorte e a honra de ter muitos líderes nesta área – incluindo um ou dois vencedores do Prémio Nobel – a apoiar as nossas atividades. Esperamos que isto ajude a impulsionar a ciência do attosecond em direcção a avanços que possam ter um efeito profundo em muitas áreas de investigação.
Este artigo apareceu pela primeira vez em A conversa em 15 de janeiro de 2025.
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