Resumo:
As equipes de pesquisa do Helmholtz Zentrum Rosendorf (HZDR) em Dresden, Alemanha, e do Centro de Radiação Síncrotron SOLEIL, perto de Paris, França, anunciaram recentemente que fizeram um avanço importante no desenvolvimento de uma nova geração de lasers compactos de elétrons livres. Pela primeira vez, os pesquisadores alcançaram uma operação estável e reproduzível de um laser de elétrons livres de plasma em um estado operacional de alto ganho, abrindo caminho para a construção de dispositivos de laser de elétrons livres menores e de menor custo no futuro.
Os lasers de elétrons livres são uma ferramenta importante para a pesquisa científica moderna. Eles podem produzir pulsos de luz extremamente curtos e de alta intensidade e são amplamente utilizados para estudar átomos, moléculas e novos materiais. No entanto, a maioria das instalações atuais de laser de elétrons livres em todo o mundo são grandes e caras, deixando os pesquisadores com um tempo experimental muito limitado, de modo que os pesquisadores há muito esperam desenvolver alternativas mais compactas e econômicas.
Os lasers de elétrons livres tradicionais exigem o uso de grandes aceleradores com comprimento de até dois quilômetros para acelerar os elétrons até perto da velocidade da luz. O feixe de elétrons entra então em um ondulador composto de ímãs, que libera pulsos altamente coerentes de luz intensa à medida que oscila continuamente.
Os novos lasers de elétrons livres de plasma a laser adotam uma abordagem completamente diferente. Os pesquisadores usam lasers para gerar ondas especiais no plasma, permitindo que os elétrons “passeiem” nas ondas de plasma rapidamente, como no surf. Com este mecanismo, o nível de energia que originalmente exigia centenas de metros ou mesmo milhares de metros de distância de aceleração pode agora ser alcançado em apenas alguns milímetros, e a distância total de aceleração é encurtada em cerca de mil vezes.
Apesar das suas vantagens significativas, esta tecnologia há muito que sofre de estabilidade insuficiente. Para experimentos científicos, a saída do laser deve ter qualidade consistente por horas ou até dias, um padrão que os lasers de elétrons livres de plasma têm lutado para cumprir no passado.
A chave para esta descoberta é que a equipe de pesquisa alcançou com sucesso o controle preciso do processo de interação entre o laser e o plasma. Os cientistas usam o sistema de laser DRACO de alto desempenho da HZDR para emitir pulsos de laser infravermelho em um fluxo de gás com apenas alguns milímetros de espessura, gerar um ambiente de plasma estável e ajustar com precisão os parâmetros do laser para corresponder de maneira ideal às condições do plasma.
Após completar a aceleração, o feixe de elétrons é enviado para o sistema ondulador. Os pesquisadores introduziram ainda o mecanismo de interação entre pulsos de laser e feixes de elétrons para aumentar a intensidade da radiação laser de elétrons livres e obter maior produção de energia.
Os resultados experimentais mostraram que a equipe gerou com sucesso pulsos de luz ultravioleta de alta energia com comprimento de onda de 272 nanômetros. Mais importante ainda, a potência do laser mostrou pela primeira vez as características únicas de crescimento exponencial do estado de alto ganho, provando que o sistema entrou em um modo de operação de forte amplificação. Este estado é considerado um sinal importante da operação de alto desempenho de lasers de elétrons livres.
Os pesquisadores afirmaram que, em comparação com os resultados publicados pela equipe em 2023, este experimento obteve melhorias significativas. Os lasers de elétrons livres de plasma a laser, que no passado eram difíceis de garantir uma operação estável e repetida, são agora capazes de produzir radiação de alta qualidade de forma contínua e estável, criando possibilidades para aplicações práticas de pesquisa científica.
A comunidade científica geralmente acredita que se espera que esta conquista promova a miniaturização e popularização da tecnologia de laser de elétrons livres. No futuro, o equipamento relevante já não precisará de ser construído em grandes laboratórios nacionais, mas terá a oportunidade de ser reduzido a um âmbito que as universidades ou instituições de investigação de média dimensão possam pagar, fornecendo assim fontes de luz avançadas a mais equipas de investigação científica.
Os pesquisadores apontaram que o sistema atual ainda produz fontes de luz na banda ultravioleta, mas por meio de novas atualizações e otimizações no futuro, espera-se que ele encurte o comprimento de onda para menos de 100 nanômetros. Até então, esse tipo de laser compacto de elétrons livres apresentará maior valor de aplicação em áreas como ciência de materiais, observação de reações químicas, pesquisa biomédica e nanotecnologia.
Este resultado foi publicado na revista "Physical Review Letters" e é considerado um marco importante no desenvolvimento da miniaturização de lasers de elétrons livres. Também fornece uma base realista para a futura construção de instalações avançadas de fontes de luz mais económicas e fáceis de implementar.
Comentários