Acelerador miniaturizado impulsiona elétrons usando nada além de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/09/2022

A equipe alcançou 40% da energia do LCLS, que tem 1km, em apenas 20 centímetros.
[Imagem: LCLS/SLAC]

Acelerando com luz

Com um controle preciso de lasers pulsados - que emitem pulsos ultrarrápidos de luz - pesquisadores aceleraram elétrons em um trecho de 20 centímetros a velocidades normalmente alcançadas apenas por aceleradores de partículas do tamanho de 10 campos de futebol.

Essa façanha foi alcançada usando dois pulsos de laser enviados através de um jato de gás hidrogênio.

O primeiro pulso "rasga" o gás, abrindo um buraco e criando um canal de plasma. Esse canal guia o segundo pulso, de maior potência, que arranca elétrons do plasma, arrastando-os em sua esteira, acelerando esses elétrons quase à velocidade da luz.

Com essa técnica, a equipe acelerou os elétrons para quase 40% da energia alcançada em instalações gigantescas, como o acelerador LCLS (Linac Coherent Light Source), nos EUA, que tem mais de um quilômetro de comprimento.

"Este é o primeiro acelerador de elétrons multi-GeV alimentado inteiramente por lasers," disse Howard Milchberg, da Universidade de Maryland, nos EUA. "E, com os lasers se tornando mais baratos e mais eficientes, esperamos que nossa técnica se torne o caminho a seguir para os pesquisadores neste campo."

Um pulso de laser (vermelho) aciona uma onda de plasma, acelerando os elétrons em seu rastro. A mancha amarela brilhante é a área com a maior concentração de elétrons.
[Imagem: Bo Miao/IREAP]

Acelerador de elétrons

Acelerar elétrons é muito útil para inúmeras áreas de pesquisa, da física básica até o estudo de materiais e as ciências biomédicas. Mas não é uma tarefa fácil.

O LCLS, por exemplo, faz isso usando poderosos campos elétricos em uma longa série de tubos metálicos segmentados. Mas não dá para ir aumentando esses campos elétricos indefinidamente: Se eles passarem de um limite, podem desencadear uma verdadeira tempestade de raios dentro dos tubos, danificando toda a estrutura.

Incapazes de empurrar os elétrons com mais força, os pesquisadores optaram por simplesmente empurrá-los por mais tempo, o que exigiu pistas mais longas e gerou aceleradores cada vez maiores e mais caros - em sua pista de um quilômetro de comprimento, o LCLS acelera elétrons até 13,6 GeV (bilhões de elétron-volts), que é a energia de um elétron movendo-se a 99,99999993% da velocidade da luz.

Com o aumento dos custos e o tempo necessário para construir novos aceleradores, a comunidade tem-se voltado para técnicas alternativas, efetivamente miniaturizando os aceleradores.

"O objetivo em última análise é reduzir os aceleradores de elétrons em escala GeV para uma sala de tamanho modesto," disse Jaron Shrock, membro da equipe. "Você está pegando dispositivos na escala de quilômetro, e você tem outro fator de campos de aceleração 1.000 vezes mais fortes. Então, você está levando a escala de quilômetro para a escala de metro, esse é o objetivo desta tecnologia."

Os elétrons acelerados são usados para produzir os mais poderosos feixes de laser de raios X do mundo. Os cientistas usam esses raios X para espiar dentro de átomos e moléculas em tempo real, criando vídeos de reações químicas. Esses vídeos são ferramentas vitais para a descoberta de medicamentos, armazenamento otimizado de energia, inovação em eletrônicos e muito mais.

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