Cristal acelerador de elétrons miniaturiza aceleradores de partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/01/2023

Há muito exploramos o fato de que a luz impulsiona os elétrons e vice-versa, mas aqui o efeito pode ser multiplicado por até um milhão de vezes.
[Imagem: Yi Yang et al. - 10.1038/s41586-022-05387-5]

Elétrons que geram luz e vice-versa

O modo como os elétrons interagem com os fótons de luz é uma parte fundamental de muitas tecnologias modernas, dos lasers aos painéis solares e LEDs.

Ainda assim, essa interação é inerentemente fraca por causa de uma grande incompatibilidade de escala: Um comprimento de onda da luz visível é cerca de 1.000 vezes maior do que um elétron, uma disparidade que afeta como as duas ondas influenciam-se mutuamente.

Agora, Yi Yang e colegas da Universidade de Hong Kong e do MIT criaram uma maneira inovadora de forçar interações muito mais fortes entre fótons e elétrons - seu protótipo já nasceu produzindo um aumento de 100 vezes na emissão de luz induzida pelos elétrons, mas pode chegar a muito mais.

A descoberta tem implicações tanto para aplicações comerciais quanto para a pesquisa científica fundamental, embora seja necessário iniciar agora a etapa de desenvolvimento, para tornar seu uso prático.

É um tipo especial de radiação Cherenkov, só que feita por um minúsculo pedaço de silício perfurado - o cristal fotônico.
[Imagem: Yi Yang et al. - 10.1038/s41586-022-05387-5]

Radiação Smith-Purcell

Em uma combinação de simulações de computador e experimentos de laboratório, a equipe descobriu que usando um feixe de elétrons em combinação com um cristal fotônico especialmente projetado - uma placa de silício sobre um isolante, na qual é feita uma série de furos ou ranhuras em escala nanométrica - é possível obter uma emissão de luz mais forte em muitas ordens de grandeza do que normalmente seria possível.

O conceito envolvido é chamado de efeito Smith-Purcell (Steve Smith e Edward Purcell), o tipo de emissão de luz precursora do laser de elétrons livres (FEL). Essencialmente, é um tipo de radiação Cherenkov, aquela usada em telescópios e sensores de raios cósmicos, com a diferença de que a velocidade da luz é alterada pela grade periódica do cristal fotônico, e não em chuveiros de partículas.

Ao contrário de outras abordagens para produzir fontes de luz ou outra radiação eletromagnética, o método baseado em elétrons livres é totalmente ajustável, podendo produzir emissões de qualquer comprimento de onda desejado simplesmente alterando o tamanho do cristal fotônico e a velocidade dos elétrons. Isso pode tornar a técnica especialmente útil para construir fontes de emissão em comprimentos de onda que são difíceis de produzir com eficiência, incluindo ondas de terahertz, luz ultravioleta e raios X.

Até agora, a equipe demonstrou o aumento de 100 vezes na emissão usando um microscópio eletrônico reaproveitado para funcionar como um gerador do feixe de elétrons. Mas eles afirmam que o princípio básico envolvido pode permitir melhorias muito maiores - um milhão de vezes - usando equipamentos especificamente desenvolvidos para essa função.

O mecanismo também será útil nas tecnologias quânticas, como a computação, comunicação e sensoriamento.
[Imagem: Yi Yang et al. - 10.1038/s41586-022-05387-5]

Miniaturizar os aceleradores de partículas

Outra boa notícia é que o mesmo processo pode ser usado na direção oposta, ou seja, usando ondas de luz ressonantes para empurrar elétrons, aumentando sua velocidade de uma forma que poderá ser aproveitada para construir aceleradores de partículas miniaturizados, que caibam dentro de um chip.

Em última análise, esses aceleradores em miniatura poderão desempenhar algumas funções que atualmente exigem túneis subterrâneos gigantes, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), de quase 30 quilômetros de diâmetro.

"Se você puder realmente construir aceleradores de elétrons em um chip, você poderá fazer aceleradores muito mais compactos para algumas aplicações, que ainda produziriam elétrons muito energéticos. Para muitas aplicações, você não teria que construir essas enormes instalações," disse o professor Marin Soljacic.

E o sistema ainda pode ser usado para gerar múltiplos fótons entrelaçados, um efeito essencial para a computação quântica e várias outras tecnologias, incluindo de comunicação. "Você pode usar elétrons para acoplar muitos fótons, o que é um problema consideravelmente difícil se usar uma abordagem puramente óptica," disse Yang. "Essa é uma das direções futuras mais emocionantes do nosso trabalho."

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