Menor acelerador de partículas do mundo tem tamanho de um grão de poeira

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/10/2023

O microchip contendo o acelerador de partículas, colocado sobre uma moeda de 1 centavo.
[Imagem: FAU/Laser Physics/Stefanie Kraus/Julian Litzel]

Miniacelerador de partícula

Há mais de uma década que os pesquisadores vêm tentando miniaturizar os aceleradores de partículas, tipicamente usando raios laser para acelerar os elétrons.

As vantagens são enormes, uma vez que os aceleradores de partículas são ferramentas cruciais em uma ampla variedade de áreas da indústria, do setor médico e das pesquisas científicas. Acontece que, hoje, o espaço que essas máquinas exigem varia de alguns metros quadrados até grandes centros de pesquisa do tamanho de um quarteirão, ou até maiores, o que significa custos elevadíssimos.

Tomás Chlouba e colegas da Universidade Friedrich-Alexander, na Alemanha, conseguiram agora construir um acelerador de partículas de pleno direito, com aceleração real dos elétrons, e totalmente integrado, com todas as etapas necessárias à aceleração contidas dentro de um chip.

O microacelerador mede 500 micrômetros de comprimento (0,5 milímetro) e 225 nanômetros de largura - para comparação, o acelerador LHC, na Europa, tem 27 km de comprimento. Ele conseguiu acelerar elétrons, de uma energia inicial de 28,4 quiloelétron-volts (keV), para até 40,7 keV. "Nós ganhamos uma energia de 12 quiloelétrons-volts. Isso representa um ganho de 43% em energia," ressaltou o professor Leon Brückner.

Esses aceleradores dentro de chips permitem sonhar com aplicações totalmente inusitadas e impensáveis hoje. "A aplicação dos sonhos seria colocar um acelerador de partículas em um endoscópio para poder administrar radioterapia diretamente na área afetada do corpo," exemplifica o professor Chlouba, referindo-se aos tratamentos contra o câncer.

As ranhuras devem ser precisamente desenhadas para se obter o ganho de energia dos elétrons.
[Imagem: Tomás Chlouba et al. - 10.1038/s41586-023-06602-7]

Acelerador de partículas a laser

Para acelerar as partículas em distâncias tão curtas, a equipe combinou duas técnicas. A primeira é chamada focalização de fase alternada, em que um laser é usado para guiar os elétrons ao longo do acelerador e injetar-lhes energia. A segunda é um sistema de nanoestruturas geométricas em forma de pilar, que focalizam e "soltam" as ondas eletrônicas repetidamente. Estruturas desse tipo já são largamente utilizadas em fotônica, mas a equipe precisou projetar estruturas especiais para obter um ganho real de aceleração.

A equipe afirma que esta primeira demonstração de ganho real de aceleração em um acelerador miniaturizado é apenas o começo. Agora o objetivo será aumentar o ganho de energia e corrente dos elétrons a tal ponto que o acelerador de partículas em um chip seja suficiente para aplicações em medicina.

Para isso, o ganho de energia terá que ser aumentado em um fator de aproximadamente 100. "Para conseguir correntes de elétrons mais altas com energias mais altas na saída da estrutura, teremos que expandir as estruturas ou colocar vários canais próximos uns dos outros", antecipa Chlouba.

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