01/04/2020 - O aparelho usa lasers para acelerar elétrons ao longo de um canal gravado. Em um acelerador de partículas em escala real, os elétrons voam ao longo de um caminho de quilômetros enquanto as microondas os bombardeiam, elevando as partículas a uma velocidade próxima à da luz. Esse feixe de elétrons de alta energia, produzido em instalações como o SLAC National Accelerator Laboratory da Califórnia, permite uma variedade de experimentos, incluindo a captura de imagens extremamente detalhadas e sondagem das estruturas das moléculas.
Mas os aceleradores de partículas são caros, exigem que os cientistas viajem de locais em todo o mundo e não podem acomodar todos os pesquisadores que enviam solicitações para reservar tempo. Para tornar esses dispositivos mais acessíveis, uma equipe da Universidade de Stanford desenvolveu um acelerador de partículas movido a laser que se encaixa em um minúsculo chip de silício - e que poderia eventualmente ser ampliado para produzir um feixe com tanta energia quanto o SLAC.
“A ideia de usar lasers em aceleradores remonta ao ano em que o laser foi inventado, 1960”, diz Robert Byer, um pesquisador de Stanford que trabalha neste conceito desde 1974. Os lasers produzem ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda muito mais curtos do que as microondas usadas em um acelerador em grande escala, o que significa que podem acelerar o movimento dos elétrons em um espaço muito menor. “O tamanho desses dispositivos é incrivelmente pequeno”, diz Byer. Os elétrons no novo acelerador, por exemplo, viajam ao longo de um canal que tem cerca de três milésimos de milímetro de largura - cerca de metade da largura de um glóbulo vermelho humano.
Embora os dispositivos movidos a laser possam acelerar os elétrons em um espaço muito menor do que os aceleradores em escala real, eles também exigem uma precisão muito maior para alinhar o laser e os elétrons da maneira certa, para que as ondas de luz empurrem as partículas na direção correta com o máximo de energia possível. “Você não só precisa demonstrar a capacidade de acoplar a luz laser aos elétrons nessas estruturas muito pequenas, mas também gerar os elétrons e fazer com que sejam transmitidos pelo canal”, explica Byer. Em 2013, dois grupos de pesquisa, um em Stanford e outras instituições dos EUA e outro na Alemanha, conseguiram de forma independente acelerar elétrons com lasers. Mas esses protótipos de prova de conceito exigiam dispositivos separados para gerar os elétrons e seriam difíceis de fabricar em massa usando as técnicas existentes.
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Um acelerador a laser gravado em silício, no entanto, seria mais fácil de aumentar e vários componentes poderiam caber no mesmo chip. Byer trabalhou com vários outros pesquisadores, incluindo a engenheira elétrica da Universidade de Stanford Jelena Vuckovic, para produzir essa ferramenta. “O que você precisa projetar é a estrutura que guiará a luz da maneira certa, então a luz sempre fornecerá um impulso na direção certa - então as partículas estão sempre sendo aceleradas”, diz Vuckovic. Para determinar essa estrutura, seu aluno Neil Sapra usou um computador para simular como padrões diferentes interagiriam com as ondas eletromagnéticas que chegam. Uma vez que eles tiveram um projeto que acelerou os elétrons tanto quanto possível, e sempre o fez na direção certa, os pesquisadores gravaram este acelerador em um wafer de silício.
Quando o wafer é bombardeado com pulsos de laser vindos de cima, a luz do laser atinge uma grade chamada “acoplador de entrada”, que a envia movendo-se ao longo do comprimento do chip. Em seguida, as ondas de luz atingem o caminho projetado por computador que corta a largura do chip. Conforme a luz passa, o padrão foca as ondas, de modo que elas transmitem energia a um feixe de elétrons que dispara ao longo do caminho. Essa energia empurra as partículas para frente mais rápido. Uma descrição do chip foi publicada quinta-feira na Science.
“É um artigo bastante promissor”, diz Mark Palmer, diretor do Accelerator Test Facility do Brookhaven National Laboratory, que não esteve envolvido na nova pesquisa. “Acho que eles fizeram um trabalho muito bom em mostrar como podemos começar a avançar com o projeto dessas estruturas e realmente criar dispositivos funcionais, espero que em um futuro não muito distante”, acrescenta.
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Os pesquisadores de Stanford descobriram que seu protótipo poderia aumentar com sucesso a energia dos elétrons em 915 elétron-volts. Embora essa quantidade de energia seja minúscula para os padrões cotidianos, o aumento ocorreu quando os elétrons viajaram apenas três centésimos de milímetro - o equivalente a ganhar cerca de 30 milhões de elétron-volts no curso de um metro. Essa mudança não está na escala do que um acelerador como o SLAC, que tem muitos metros para aumentar seus elétrons em dezenas de bilhões de elétron-volts, pode transmitir. O acelerador em miniatura pode, no entanto, aumentar a escala com muito mais facilidade do que sua contraparte maior: por ser gravado em uma pequena pastilha de silício, os pesquisadores podem encaixar vários caminhos de aceleração em projetos futuros sem adicionar volume.
Fonte: https://www.scientificamerican.com/