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Óptica de raios gama: lente de silício derruba teoria

Óptica de raios gama: lente de silício refrata altas energias
As lentes para as altas energias dos raios gama são bem diferentes do vidro transparente de uma lupa: elas são feitas de silício ou ouro. [Imagem: Institut Laue/Langevin]

Revolução na óptica

Cientistas derrubaram um pressuposto fundamental da física: mesmo a radiação de energia extremamente alta, como os raios gama, é refratada em materiais apropriados.

Com isto, o grupo da Universidade Ludwig-Maximilians e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica abriu um novo capítulo na óptica, refutando uma suposição fundamental da física teórica considerada válida há décadas.

Em experimentos com raios gama, eles provaram que estas ondas eletromagnéticas altamente energéticas podem ser focalizadas por lentes, como a luz convencional.

A descoberta torna possível um grande número de novas aplicações, da medicina à pesquisa de novos materiais.

Refração de alta energia

Instrumentos ópticos, como telescópios e microscópios baseiam-se na refração da luz: em um meio como o vidro, as ondas eletromagnéticas propagam-se mais lentamente do que no ar ou no vácuo, e são, portanto, refratadas - por exemplo, para o plano focal de uma máquina fotográfica.

O índice de refração, que depende do material da lente e da frequência das ondas, descreve a intensidade do efeito: quanto mais se desvia de 1, mais forte será a refração dos feixes de luz.

Os físicos assumiam que a radiação eletromagnética com uma energia muito maior do que a do espectro visível não poderia ser refratada com lentes. Eles haviam calculado que o índice de refração nessa região do espectro é quase exatamente 1 para todos os materiais.

Em meados da década de 1990, contudo, descobriu-se que os raios X também são refratados por lentes de berílio ou de carbono, abrindo o caminho para a óptica dos raios X.

Dietrich Habs e seus colegas agora demonstraram que isto também se aplica à energia ainda maior dos raios gama.

Para isso, basta usar espelhos de ouro ou de silício, o que marca o início da óptica dos raios gama.

Óptica de raios gama: lente de silício refrata altas energias
Este é o equipamento usado para inaugurar o campo da ópticas de raios gama. [Imagem: ILL/ Bernhard Lehn]

Refração dos raios gama

Os átomos de silício têm 14 prótons em seu núcleo, gerando um forte campo elétrico quando são atingidos pelos raios gama, explica o Dr. Habs.

"Um número extremamente elevado de pares de elétrons e pósitrons estão constantemente sendo criados neste campo. E, apesar de existirem por um período extremamente curto, eles ainda podem interagir com a radiação gama," afirma

Esta é a fonte da inesperada refração dos raios gama.

Mais inesperada ainda mais que os físicos teóricos não apenas não vislumbravam o efeito, eles haviam supostamente "provado" que ele não poderia existir.

Mas parece que seus métodos de aproximação matemática falham devido aos fortes campos nos arredores dos núcleos atômicos.

A aproximação não era assim tão ruim, já que a refração obtida nos raios gama é muito pequena, na faixa de um milionésimo de grau.

Mas a equipe afirma que isso poderá ser ampliado usando-se um material com maior número de prótons: eles planejam começar imediatamente a testar lentes de ouro, que tem 79 prótons.

Medicina e baterias

O Dr. Habs já está de olho em aplicações concretas de sua descoberta:

"Pacientes que sofrem de desordens maníaco-depressivas muitas vezes tomam medicação de lítio - mas ninguém sabe exatamente como essas drogas funcionam no cérebro. No futuro, poderemos usar raios gama para fazer imagens tridimensionais com uma resolução na faixa de micrômetros, e olhar onde o lítio se acumula e por que isso tem um efeito sobre a psique," diz ele.

O lítio também é essencial nas baterias recarregáveis, e cientistas do mundo todo estão tentando descobrir formas de evitar seu desgaste e aumentar sua densidade energética.

O pesquisador afirma que quer observar o que causa o desgaste dos eletrodos das baterias de lítio em detalhes com raios gama, a fim de otimizá-las e tornar possível a adoção ampla dos carros elétricos.

Bibliografia:

Refractive Index of Silicon at ? Ray Energies
D. Habs, M. M. Günther, M. Jentschel, W. Urban
Physical Review Letters
Vol.: 108, 184802
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.184802




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