Os aceleradores de partículas têm um enorme potencial para aplicações de semicondutores, imagens médicas e terapia, e materiais, energia e pesquisa médica. No entanto, os aceleradores tradicionais requerem muito espaço (quilómetros), são caros e estão limitados a alguns laboratórios e universidades nacionais. Uma equipe de pesquisa colaborativa desenvolveu um acelerador de partículas compacto capaz de produzir feixes de elétrons de alta energia em um volume muito menor do que os aceleradores tradicionais. Este avanço traz novas possibilidades para a medicina, semicondutores e investigação científica, com planeamento de maior miniaturização e maior praticidade.

Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin, vários laboratórios nacionais, universidades na Europa e TAU Systems com sede no Texas demonstraram um acelerador de partículas compacto com menos de 20 metros de comprimento que pode produzir um feixe de elétrons com energia de 10 bilhões de elétron-volts (10GeV). Atualmente, existem apenas dois outros aceleradores nos Estados Unidos capazes de atingir energias eletrônicas tão altas, mas ambos têm cerca de 3 quilômetros de comprimento.

Esta câmara de gás é um componente chave do acelerador laser compacto Nagisa desenvolvido na Universidade do Texas em Austin. Dentro do acelerador, lasers extremamente poderosos atingem o gás hélio, aquecendo-o até formar um plasma e criando ondas que expulsam os elétrons do gás em feixes de elétrons de alta energia. Crédito da foto: Bjorn “Manuel” Hegelich

“Agora podemos atingir essas energias em 10 centímetros”, disse Bjorn “Manuel” Hegelich, professor associado de física na Universidade do Texas em Austin e CEO da TAU Systems, referindo-se ao tamanho da câmara que gera o feixe de elétrons. Ele é o autor sênior de um artigo que descreve suas conquistas, publicado recentemente na revista Matter and Radiation at Extreme.

Heglich e sua equipe estão atualmente explorando como seu acelerador, chamado Advanced Wang Field Laser Accelerator, pode ser usado para diversos fins. Eles esperam usá-lo para testar a resistência à radiação da eletrônica espacial, criar imagens da estrutura interna tridimensional de novos designs de chips semicondutores e até mesmo desenvolver novos tratamentos contra o câncer e técnicas avançadas de imagens médicas.

Desenho da câmara de ar. Na câmara de gás, um laser muito potente irradia o gás hélio, aquecendo-o até formar plasma e gerando ondas elétricas, que emitem os elétrons do gás na forma de feixes de elétrons de alta energia. As nanopartículas são produzidas por um laser secundário que brilha através de uma janela superior e atinge uma placa metálica, aumentando a energia transferida aos elétrons. Fonte: Universidade do Texas em Austin

O acelerador também pode ser usado para acionar outro dispositivo chamado laser de elétrons livres de raios X, que pode filmar processos em câmera lenta em escala atômica ou molecular. Exemplos de tais processos incluem interações entre medicamentos e células, alterações no interior das baterias que podem causar incêndio, reações químicas no interior dos painéis solares e mudanças na forma das proteínas virais quando infectam as células.

O conceito do acelerador de laser Wangchang apareceu pela primeira vez em 1979. Lasers extremamente poderosos atingiram o gás hélio, aquecendo-o em um plasma e criando ondas que expulsam os elétrons do gás do feixe de alta energia. Nas últimas décadas, diferentes grupos de pesquisa desenvolveram versões mais poderosas. O principal avanço de Heglich e sua equipe baseou-se em nanopartículas. O laser auxiliar irradia a placa metálica na câmara de gás, e a placa metálica injeta um fluxo de nanopartículas metálicas, aumentando assim a energia da onda eletrônica.

O laser é como um barco remando pelo lago, deixando uma ondulação, e os elétrons são como surfistas navegando nessa onda de plasma.

Imagem do acelerador laser de campo compacto Nagisa desenvolvido na Universidade do Texas em Austin. O feixe de laser entra na câmara de gás pela direita e gera um feixe de elétrons na câmara de gás. O feixe de elétrons finalmente entra nas duas telas de cintilação (DRZ1 e DRZ2) à esquerda para análise. Fonte: Universidade do Texas em Austin

“É difícil entrar em uma onda grande sem ser esmagado, então os surfistas são arrastados para a onda por jet skis”, disse Heglich. "O equivalente aos jet skis em nosso acelerador são nanopartículas que liberam elétrons no momento certo e no ponto certo, de modo que os elétrons estão na onda. Colocamos mais elétrons na onda quando e onde queremos, em vez de serem estatisticamente distribuídos ao longo da interação, e esse é o nosso ingrediente secreto."

Para este experimento, os pesquisadores usaram um dos lasers pulsados ​​mais poderosos do mundo, o Texas Petawatt Laser. Um único pulso de laser pitawa tem cerca de 1.000 vezes a potência instalada nos Estados Unidos, mas dura apenas 150 femtossegundos, menos de um bilionésimo do tempo de uma descarga atmosférica. O objetivo de longo prazo da equipe é alimentar seu sistema com um laser que estão desenvolvendo atualmente, que poderia ficar sobre uma mesa e disparar repetidamente milhares de vezes por segundo, tornando todo o acelerador mais compacto e aplicável a uma gama mais ampla de aplicações do que os aceleradores tradicionais.