Um novo dispositivo movido a laser que pode confinar e acelerar elétrons em distâncias de cerca de um milímetro foi desenvolvido por pesquisadores nos EUA. Ao combinar avanços em nanociência, lasers e tecnologia de vácuo, Payton Broaddus e colegas da Universidade de Stanford afirmam ter desenvolvido o acelerador dielétrico de laser (DLA) de maior desempenho até o momento.
Além de conduzir partículas carregadas, como os elétrons, a altas energias cinéticas, um acelerador útil também deve ser capaz de confinar as partículas em um feixe estreito. Além disso, o feixe também deve ser o mais monoenergético possível.
Em instalações modernas, isso geralmente é feito usando cavidades de radiofrequência (RF) revestidas com cobre ou, mais recentemente, com um supercondutor como o nióbio. Quando impulsionadas por poderosos sinais de RF, essas cavidades ressonantes desenvolvem tensões muito altas que aceleram as partículas com energias muito específicas. No entanto, existem limites físicos para as energias máximas das partículas que podem ser alcançadas desta forma.
“Tornar os campos eletromagnéticos muito grandes pode resultar em danos às paredes [da cavidade], o que destrói a máquina”, explica Broaddus. “Esta é atualmente uma grande limitação em todos os aceleradores convencionais e limita o gradiente de aceleração seguro a dezenas de megaelétron-volts por metro.” Na verdade, esta é a principal razão pela qual os aceleradores continuam a ficar maiores e mais caros, a fim de atingir energias de partículas mais elevadas.
Projetos alternativos de aceleradores
Para criar dispositivos mais compactos, investigadores de todo o mundo estão a explorar uma variedade de tecnologias alternativas de aceleradores, com o objetivo de alcançar o maior gradiente de aceleração possível na distância mais curta.
Uma tecnologia promissora é o DLA, que foi concebido pela primeira vez na década de 1950. Em vez de direcionar um sinal de RF para uma cavidade condutora, um DLA envolve disparar um laser através de um pequeno canal dentro de um material dielétrico. Isto cria um campo elétrico alternado dentro do canal, que atua como uma cavidade ressonante. Ao otimizar a nanoestrutura da cavidade e ao cronometrar cuidadosamente quando os elétrons são enviados através do canal, as partículas são aceleradas.
Embora a física desta configuração seja amplamente semelhante aos projetos de aceleradores mais convencionais, ela oferece um gradiente de aceleração muito maior. Isto poderia ser usado para reduzir o tamanho dos aceleradores – pelo menos em princípio.
“Os campos que esses dielétricos podem sobreviver aos lasers são uma a duas ordens de magnitude maiores do que os que o cobre pode suportar nas ondas de RF e, portanto, teoricamente, podem ter um gradiente de aceleração uma a duas ordens de magnitude maior”, explica Broaddus. No entanto, ele salienta que reduzir a largura da cavidade em seis ordens de grandeza introduz desafios – incluindo como manter os eletrões confinados num feixe e não fazê-los colidir com as paredes da cavidade.
Agora, Broaddus e colegas enfrentaram este desafio recorrendo a três avanços tecnológicos. Estas são a capacidade de criar nanoestruturas semicondutoras muito precisas; a capacidade de produzir pulsos de laser de femtosegundo brilhantes e coerentes com taxas de repetição estáveis; e a capacidade de manter vácuo ultra-alto em cavidades de semicondutores com comprimento milimétrico.
Novas nanoestruturas e pulsos
Através do design cuidadoso das nanoestruturas e do uso de pulsos de laser com formatos especiais, a equipe foi capaz de criar campos elétricos dentro de sua nova cavidade que focam os elétrons em um feixe.
Isto permitiu à equipe acelerar um feixe confinado de elétrons a uma distância de 0.708 mm, aumentando sua energia em 24 keV. “Isso representa um aumento de ordem de magnitude em ambos os valores de mérito em comparação com aceleradores anteriores”, explica Broaddus.
Acelerador em um chip criado por algoritmo de design inverso
Com base na sua mais recente conquista, a equipe está confiante de que os DLAs poderiam melhorar enormemente a capacidade dos pesquisadores de alcançar energias eletrônicas sub-relativísticas. “Os DLAs agora podem ser tratados como uma tecnologia aceleradora real, onde podemos extrair parâmetros de aceleradores tradicionais de nossos dispositivos e que podem ser comparados a outras tecnologias aceleradoras”, explica Broaddus.
Por sua vez, estas melhorias poderão abrir caminho a novas descobertas na física fundamental e poderão até oferecer novos benefícios em domínios como a indústria e a medicina.
A pesquisa é descrita em Physical Review Letters.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
