Um novo avanço dos engenheiros da Universidade de Stanford poderá levar ao uso generalizado de aceleradores de partículas na ciência, na medicina e na indústria. Os pesquisadores estão cada vez mais perto de criar um acelerador de elétrons em miniatura baseado na tecnologia "acelerador em um chip", que tem potencial para uma ampla gama de aplicações em pesquisa física, bem como em usos médicos e industriais.
Esquema de um acelerador do tamanho de uma caixa de sapatos. Uma fonte de elétrons e um divisor/injetor de feixe alimentam um DLA subrelativístico (o dispositivo descrito neste artigo), que acelera os elétrons a uma energia de 1 MeV. Esses elétrons são ainda mais acelerados através de um DLA relativístico acionado por um guia de ondas de sílica e finalmente passam por um redutor de pressão para produzir radiação de elétrons livres coerente. Fonte: Fundação Moore/Peyton Broadus
Os pesquisadores demonstraram que os aceleradores de laser dielétrico de silício (DLA) podem agora acelerar e confinar elétrons em um feixe de elétrons focado e de alta energia. Payton Broaddus disse: "Se a eletrônica fosse carros em miniatura, seria como pegar o volante e pisar no acelerador pela primeira vez."
Evolução das capacidades do acelerador de “milhas” para “mícrons”
Os feixes de partículas de alta energia produzidos pelos aceleradores permitem aos físicos estudar as propriedades dos materiais, criar sondas focadas para aplicações médicas e identificar os blocos de construção básicos que constituem toda a matéria do universo. Os primeiros aceleradores de partículas de alta energia foram desenvolvidos na década de 1930 e cabiam em um desktop. Mas estudar física mais avançada requer energias de partículas mais altas, por isso os cientistas precisam construir sistemas maiores. (O túnel do acelerador linear original no SLAC National Accelerator Laboratory, no campus da Universidade de Stanford, foi inaugurado em 1966 e tem quase 3 quilômetros de comprimento.)
Esses sistemas possibilitaram muitas descobertas na física de partículas, e Broadus foi movido pelo desejo de construir um acelerador linear em miniatura que pudesse eventualmente rivalizar em desempenho com máquinas mais de mil vezes maiores, por uma fração do custo. Isso também levaria a novas aplicações na área médica, como montar o dispositivo em uma pequena sonda e disparar feixes de elétrons precisamente contra os tumores.
“Temos a capacidade de substituir completamente todos os outros aceleradores de partículas por equipamentos menores e mais baratos.” Olav Solgaard, diretor do Laboratório Edward L. Ginzton, Robert L. e Audrey S. Hancock Professor da Escola de Engenharia e autor sênior do artigo, disse que graças aos avanços na fabricação em nanoescala e na tecnologia laser, essa visão é cada vez mais possível. Os aceleradores de radiofrequência tradicionais consistem em uma cavidade de cobre na qual ondas de rádio são injetadas para fornecer energia às partículas. Esses pulsos aquecem o metal, portanto a cavidade precisa funcionar com energia e taxas de pulso mais baixas para dissipar o calor e evitar o derretimento.
No entanto, as estruturas de vidro e silício podem suportar os pulsos de energia mais elevados dos lasers sem aquecer, por isso são mais potentes e menores. Há cerca de 10 anos, pesquisadores da Universidade de Stanford começaram a fazer experiências com estruturas em nanoescala feitas a partir desses materiais. Em 2013, uma equipe de pesquisa liderada pelo coautor Robert Bayer, professor emérito William R. Kenan Jr., demonstrou que tais lasers nanoestruturados poderiam produzir mais energia sem aquecimento e serem menores. Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor emérito de Kennan, Robert Byer, demonstrou em 2013 que um minúsculo acelerador de vidro com luz infravermelha pulsada acelerou com sucesso elétrons. Esses resultados levaram o projeto a ser adotado pela Fundação Gordon e Betty Moore no projeto de colaboração internacional "Accelerator on a Chip" (ACHIP) para criar um acelerador teraelétron-volt do tamanho de uma caixa de sapatos.
No entanto, este primeiro “acelerador em escala de chip” ainda tem alguns problemas a resolver. Como diz Broadus, os elétrons internos são como um carro dirigindo em uma estrada estreita sem volante. Eles podem acelerar rapidamente, mas também podem atingir paredes facilmente.
Guiando elétrons com lasers
Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stanford demonstrou com sucesso que também podem guiar elétrons em nanoescala. Para fazer isso, eles construíram uma estrutura de silício com canais submicrométricos em um sistema de vácuo. Eles injetaram elétrons em uma extremidade e irradiaram a estrutura de ambos os lados com pulsos de laser moldados que forneceram energia cinética de impacto. O campo do laser alterna periodicamente entre propriedades focadas e desfocadas, agrupando os elétrons e evitando que eles se desviem do curso.
Esta série de aceleração, desfocagem e focagem afecta os electrões a uma distância de quase 1 milímetro. Isso pode não parecer um tiro no escuro, mas estas partículas carregadas ganharam energia considerável, ganhando uma energia de 23,7 quiloelectronvolts, cerca de 25% superior à sua energia inicial. A aceleração que a equipe conseguiu alcançar em seu protótipo de microacelerador está no mesmo nível dos aceleradores convencionais de cobre, e Broaddus acrescenta que acelerações mais altas são possíveis.
Embora este seja um importante passo em frente, ainda há muito trabalho a fazer antes que estes pequenos aceleradores possam ser utilizados na indústria, na medicina e na investigação. Até agora, a capacidade da equipa de guiar electrões tem sido limitada a duas dimensões; tornar o acelerador longo o suficiente para maiores ganhos de energia requer confinamento de elétrons em três dimensões.
corrida de revezamento eletrônico
Um grupo de pesquisa irmão da Universidade Friedrich Alexander (FAU) em Erlangen, Alemanha, demonstrou recentemente um dispositivo semelhante que usa um único laser com energia inicial mais baixa. Broadus disse que isso e o equipamento de Stanford acabarão por se tornar parte de uma espécie de corrida de revezamento eletrônico.
Este futuro revezamento terá três companheiros de equipe: o dispositivo da FAU receberá os elétrons de baixa energia, dará-lhes uma aceleração inicial e depois os alimentará em um dispositivo semelhante ao que Broadus está desenvolvendo. A etapa final dos elétrons será um acelerador de vidro, como o desenvolvido pela Bayer. O vidro pode suportar ataques de laser maiores do que o silício, permitindo que os aceleradores excitem ainda mais os elétrons e os empurrem em direção à velocidade da luz.
Solgaard acredita que este pequeno acelerador acabará por ser tão útil na física de altas energias como os seus homólogos maiores, explorando os materiais básicos que constituem o universo. “Ainda temos um longo, longo caminho a percorrer”, disse ele. Mas ele permaneceu otimista, acrescentando que “demos os primeiros passos”.
Fonte compilada: ScitechDaily