Fontes de luz superbrilhantes podem ser criadas usando quasipartículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/10/2023

Os cientistas estudaram as propriedades únicas das quasipartículas nos plasmas.
[Imagem: Bernardo Malaca]

Quase não físicas

Uma equipe de cientistas dos EUA e da França está repensando os princípios básicos da física da radiação com o objetivo de criar fontes de luz superbrilhantes.

Os lasers de elétrons livres, por exemplo, hoje são utilizados para estudar materiais e até vírus átomo por átomo. Mas são laboratórios gigantescos, do tamanho de vários quarteirões. E, torná-los mais potentes significa construir instalações ainda maiores e mais caras.

Bernardo Malaca e seus colegas propõem formas de utilizar quasipartículas para criar fontes de luz tão poderosas quanto as mais avançadas que existem hoje - só que muito menores e gastando menos energia.

As quasipartículas são formadas por muitos elétrons movendo-se em sincronia. Acontece que, ao contrário das partículas, que seguem comportadamente as leis comuns, da física, as quasipartículas têm seu próprio comportamento, por exemplo, viajando a qualquer velocidade - até mais rápido que a luz - ou resistindo a forças intensas, como aquelas encontradas próximo a um buraco negro.

"O aspecto mais fascinante das quasipartículas é a sua capacidade de se moverem de maneiras que não seriam permitidas pelas leis da física que regem as partículas individuais," explica o professor John Palastro, da Universidade de Rochester.

"A flexibilidade é enorme," acrescentou Malaca. "Mesmo que cada elétron execute movimentos relativamente simples, a radiação total de todos os elétrons pode imitar a de uma partícula que se move mais rápido do que a luz ou de uma partícula oscilante, mesmo que não exista localmente um único elétron que seja mais rápido do que a luz ou um elétron oscilante."

A proposta é usar as quasipartículas para criar fontes de luz tão poderosas quanto as mais avançadas que existem hoje, mas muito menores.
[Imagem: B. Malaca et al. - 10.1038/s41566-023-01311-z]

Aceleradores de plasma baseados em quasipartículas

Aceleradores de partículas de plasma prometem se tornar uma alternativa aos lasers de elétrons livres com uma grande vantagem: Em vez de terem o tamanho de uma fazenda, estes são equipamentos que cabem em cima de uma mesa, ou até de uma cadeira. O problema é que eles exigem feixes de radiação ainda mais puros do que os usados nos lasers de elétrons livres, e hoje ainda não conseguimos gerar luz com essa pureza.

É aí que entra a proposta da equipe, que introduz um conceito de fonte de luz baseado no movimento de "excitações de energia" que ele chamam de quasipartículas. Essa fonte de luz depende do movimento coordenado de um conjunto de partículas emissoras de luz, na qual a coerência temporal e a superradiância não dependem diretamente da qualidade do feixe de partículas - ou seja, podemos deixar de lado as preocupações com a pureza da luz.

"Em vez disso, a coerência temporal e a superradiância requerem uma densidade de corrente localizada com um perfil quase constante, como aqueles rotineiramente gerados na esteira de lasers intensos e grupos de partículas no plasma. [...] Nós denotamos esses perfis de densidade de corrente localizados e quase constantes como quasipartículas," explicou a equipe.

A inovação poderá criar aceleradores de partículas minúsculos e até portáteis.
[Imagem: B. Malaca et al. - 10.1038/s41566-023-01311-z]

Democratizando os aceleradores de partículas

A equipe estudou as propriedades únicas das quasipartículas em plasmas rodando simulações computacionais, demonstrando que elas podem ser uma alternativa muito mais simples e mais barata para uma próxima geração de aceleradores de partículas superpotentes - e efetivamente miniaturizados.

As aplicações promissoras para fontes de luz baseadas em quasipartículas são tão amplas quanto as fontes de luz dos aceleradores atuais, incluindo imagens não destrutivas para varredura em busca de vírus, compreensão de processos biológicos como a fotossíntese, fabricação de chips de computador e exploração do comportamento da matéria em planetas e estrelas, entre muitas outras.

Sobretudo, as fontes de luz baseadas em quasipartículas podem ter uma vantagem distinta sobre as formas de luz existentes, como os lasers de elétrons livres, que são enormes, tornando-os impraticáveis para a maioria dos laboratórios, hospitais e empresas.

Com a teoria proposta agora, as quasipartículas poderiam produzir luz incrivelmente brilhante com apenas uma pequena distância a percorrer, potencialmente desencadeando avanços científicos e tecnológicos generalizados em laboratórios de todo o mundo.

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