Miniacelerador de partículas faz em 10cm o que os atuais exigem 3km

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2023

Em cima: Ilustração dos elétrons "surfando" no interior da câmara principal do miniacelerador de partículas.
Embaixo: Diagrama do miniacelerador, contendo uma célula de gás, um ímã dipolo e duas telas cintilantes (DRZ1 e DRZ2). Toda a configuração é colocada dentro de câmaras de vácuo. Os feixes de laser e elétrons se propagam da direita para a esquerda.
[Imagem: Constantin Aniculaesei et al. - 10.1063/5.0161687/TAU Systems]

Miniacelerador de partículas

Os aceleradores de partículas são essenciais para o estudo e desenvolvimento de semicondutores e novos materiais, além de gerarem imagens médicas, aplicarem terapias e terem potencial para inúmeras outras aplicações em energia e medicina.

O inconveniente é que os aceleradores são gigantescos, ocupando instalações medidas em quilômetros, o que os torna caros e limitam a sua presença a alguns poucos laboratórios e universidades.

A boa notícia é que os miniaceleradores de partículas estão fazendo progressos a olhos vistos: Uma equipe da Europa e dos EUA acaba de apresentar um miniacelerador de apenas alguns centímetros que atinge uma energia de 10 GeV (bilhões de elétron-volts).

Existem apenas dois outros aceleradores operando atualmente nos EUA que conseguem atingir energias tão altas, mas ambos têm aproximadamente 3 quilômetros de comprimento.

"Nós agora podemos atingir essas energias em 10 centímetros," disse Bjorn Hegelich, da Universidade do Texas de Austin, referindo-se ao tamanho da câmara onde o feixe é produzido e acelerado - a instalação inteira mede cerca de 20 metros de comprimento.

Em cima: O coração do miniacelerador sendo configurado em cima de uma mesa óptica.
Embaixo: A célula de gás, o componente chave do acelerador laser compacto de campo de arrasto.
[Imagem: Bjorn Manuel Hegelich/TAU Systems]

Acelerador laser de campo elétrico oscilante

O nome técnico do novo dispositivo é acelerador laser de campo elétrico oscilante avançado. O conceito de aceleradores laser de de campo elétrico oscilante - ou campo de arrasto - é conhecido há mais de 40 anos, mas vem sendo aprimorado desde então.

Seu princípio básico envolve um laser dirigido para uma câmara contendo gás hélio, que é aquecido pelo laser até produzir um plasma. Isso cria ondas que expulsam elétrons do gás, gerando um feixe de elétrons de alta energia. O laser funciona como um barco deslizando sobre um lago, deixando para trás um rastro - o tal campo de arrasto - e os elétrons navegam nessa onda de plasma como se fossem surfistas.

A equipe já está explorando o uso do miniacelerador para uma variedade de propósitos, incluindo testar até que ponto a eletrônica espacial pode suportar a radiação e para obter imagens das estruturas internas em 3D de novos projetos de chips semicondutores. Aplicações futuras envolvem até mesmo o desenvolvimento de novas terapias contra o câncer e técnicas avançadas de imagens médicas.

Esse tipo de acelerador também pode ser usado para acionar outro dispositivo, chamado laser de elétrons livres de raios X, que permite gravar filmes em câmera lenta de processos em escala atômica ou molecular. Exemplos desses processos incluem interações entre os medicamentos e as células, reações dentro das baterias que podem causar incêndios, reações químicas dentro de painéis solares e proteínas virais que mudam de forma ao infectar as células.

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