Existem apenas dois aceleradores nos Estados Unidos capazes de produzir feixes de partículas de 10 mil milhões de electrões-volt, e cada um tem cerca de 3 quilómetros de comprimento. “Agora podemos atingir esse nível de energia em 10 centímetros (4 polegadas)”, disse o CEO da TAU Systems.
"Um acelerador tão compacto e avançado também requer um enorme laser para operar - neste caso, o Texas Petawatt Laser, que está alojado em um estágio de 34 pés (10 metros) de comprimento no Centro de Ciência de Alta Densidade de Energia da Universidade do Texas em Austin", disse o CEO da TAU Systems.
Sendo um dos lasers mais poderosos do mundo, este "gigante" pode emitir um feixe de laser superpoderoso com aproximadamente 1.000 vezes a energia da capacidade instalada nos Estados Unidos, mas só pode ser emitido uma vez por hora e pode durar apenas 150 femtossegundos, que é um bilionésimo do tempo de descarga de um raio.
O dispositivo do TAU tem menos de 20 metros de comprimento e emite feixes de até 10 GeV. Ele usa uma versão melhorada da tecnologia de aceleração Ruofei descrita pela primeira vez em 1979 e atualmente usada por muitos programas aceleradores.
Os aceleradores de partículas comuns são, na verdade, uma série de anéis que atraem elétrons quando uma voltagem positiva é aplicada a eles. Os anéis são energizados por sua vez, puxando os elétrons através do túnel em velocidades crescentes, com cada anel fechando antes que os elétrons cheguem.
Aceleradores a laser transformam mais ou menos os próprios pulsos de luz em eletroímãs à velocidade da luz, permitindo que as partículas os sigam, reunindo velocidades e energia extraordinárias em distâncias extremamente curtas.
O dispositivo do TAU usa uma câmara cheia de gás hélio. Quando um laser Petawatt dispara um pulso de luz através desses gases, a enorme energia do pulso ioniza o gás em um plasma. À medida que viaja através do plasma, o pulso deixa um rastro atrás de si, muito parecido com o rastro que um navio deixa quando viaja pela água, exceto que neste caso ele cria um rastro extremamente poderoso de flutuações de carga.
Se um elétron for injetado no momento certo, essas cargas gigantescas em movimento puxam e empurram o pulso de luz, drenando a energia (mas não a velocidade) do pulso de laser original e transferindo-a para o elétron em aceleração, empurrando-o para "uma grande fração da velocidade da luz" em uma curta distância.
O principal avanço da TAU neste dispositivo é o uso de um laser de ablação auxiliar que dispara trens de pulsos precisamente cronometrados em uma placa de metal em uma câmara de gás, injetando um fluxo de nanopartículas metálicas na câmara de gás para aumentar a energia dos elétrons à medida que seguem o trem de pulsos de laser.
“É difícil entrar numa onda grande sem ser esmagado, por isso os surfistas são arrastados para a onda pelos jet skis”, disse Bjorn “Manuel” Hegelich, professor associado de física na Universidade do Texas em Austin e CEO da TAU Systems. “O equivalente a um jet ski em nosso acelerador são nanopartículas que liberam elétrons na hora certa e no ponto certo, então eles estão na onda.” Podemos colocar mais elétrons na onda quando e onde quisermos, em vez de serem distribuídos estatisticamente ao longo da interação, e esse é o segredo. "
Heglich e sua equipe estão desenvolvendo seu próprio sistema laser do tamanho de um desktop, que, segundo eles, tornará todo o sistema mais compacto e disparará milhares de vezes por segundo, em vez de uma vez por hora.
Então, qual é a utilidade de aceleradores de partículas ultrapequenos de alta energia? Talvez usado para acionar lasers de elétrons livres de raios X, ele poderia potencialmente capturar vídeo em câmera lenta em escala atômica ou molecular. Também poderia ser usado para testar se os componentes eletrônicos usados em voos espaciais podem suportar a radiação, realizar imagens tridimensionais da estrutura interna de designs de chips semicondutores e, potencialmente, desenvolver novos tratamentos contra o câncer e técnicas avançadas de imagens médicas.
O artigo de pesquisa da equipe foi publicado na revista Matter and Radiation at Extreme.