Explosões ultracurtas de elétrons têm várias aplicações importantes em imagens científicas, mas produzi-los normalmente exigia um custo alto, aparelhos que consomem muita energia do tamanho de um carro. p No jornal Optica , pesquisadores do MIT, o síncrotron alemão, e a Universidade de Hamburgo, na Alemanha, descreve uma nova técnica para gerar rajadas de elétrons, que poderia ser a base de um dispositivo do tamanho de uma caixa de sapatos que consome apenas uma fração da energia de seus predecessores.

Feixes de elétrons ultracurtos são usados ​​para coletar diretamente informações sobre materiais que estão passando por reações químicas ou mudanças de estado físico. Mas depois de ser disparado por um acelerador de partículas de meia milha de comprimento, eles também são usados ​​para produzir raios-X ultracurtos.

p Ano passado, no Nature Communications , o mesmo grupo de pesquisadores do MIT e de Hamburgo relatou o protótipo de um pequeno "acelerador linear" que poderia servir ao mesmo propósito que o acelerador de partículas muito maior e mais caro. Essa tecnologia, junto com uma versão de alta energia do novo "canhão de elétrons, "poderia trazer o poder de imagem de pulsos ultracurtos de raios-X para laboratórios acadêmicos e industriais.

De fato, enquanto as explosões de elétrons relatadas no novo artigo têm uma duração medida em centenas de femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo (que é o que os melhores canhões de elétrons existentes podem gerenciar), a abordagem dos pesquisadores tem o potencial de diminuir sua duração para um único femtossegundo. Uma explosão de elétrons de um único femtossegundo pode gerar pulsos de raios-X de attossegundos, que permitiria imagens em tempo real da maquinaria celular em ação.

"Estamos construindo uma ferramenta para os químicos, físicos, e biólogos que usam fontes de luz de raios-X ou feixes de elétrons diretamente para fazer suas pesquisas, "diz Ronny Huang, um aluno de PhD do MIT em engenharia elétrica e primeiro autor do novo artigo. "Porque esses feixes de elétrons são tão curtos, eles permitem que você congele o movimento dos elétrons dentro das moléculas enquanto as moléculas passam por uma reação química. Uma fonte de luz de raios-X de femtossegundo requer mais hardware, mas utiliza canhões de elétrons. "

p Em particular, Huang explica, com uma técnica chamada imagem de difração de elétrons, físicos e químicos usam rajadas ultracurtas de elétrons para investigar mudanças de fase em materiais, como a transição de um estado eletricamente condutivo para um não condutor, e a criação e dissolução de ligações entre moléculas em reações químicas.

Os pulsos ultracurtos de raios-X têm as mesmas vantagens dos raios-X comuns:eles penetram mais profundamente em materiais mais espessos. O método atual para a produção de raios-X ultracurtos envolve o envio de rajadas de elétrons de um canhão de elétrons do tamanho de um carro por meio de um bilhão de dólares, acelerador de partículas de um quilômetro de comprimento que aumenta sua velocidade. Em seguida, eles passam entre duas fileiras de ímãs - conhecidos como "onduladores" - que os converte em raios-X.

p No artigo publicado no ano passado - do qual Huang foi co-autor - o grupo MIT-Hamburgo, juntamente com colegas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo e da Universidade de Toronto, descreveu uma nova abordagem para acelerar elétrons que poderia reduzir os aceleradores de partículas ao tamanho de uma mesa. "Isso é para complementar isso, "Huang diz, sobre o novo estudo.

Franz Kärtner, que foi professor de engenharia elétrica no MIT por 10 anos antes de se mudar para o Síncrotron Alemão e para a Universidade de Hamburgo em 2011, liderou o projeto. Kärtner continua sendo o principal investigador do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT e é o orientador da tese de Huang. Ele e Huang são acompanhados no novo artigo por oito colegas do MIT e de Hamburgo.

p Confinamento de comprimento de onda

p O novo canhão de elétrons dos pesquisadores é uma variação de um dispositivo chamado canhão de RF. Mas onde a arma de RF usa radiação de radiofrequência (RF) para acelerar os elétrons, o novo dispositivo usa radiação terahertz, a faixa de radiação eletromagnética entre as microondas e a luz visível.

O dispositivo dos pesquisadores, que é mais ou menos do tamanho de uma caixa de fósforos, consiste em duas placas de cobre que, em seus centros, estão separados por apenas 75 micrômetros. Cada placa tem duas dobras, de modo que se parece mais com uma carta com três dobras que foi aberta e colocada de lado. As placas se dobram em direções opostas, para que fiquem mais distantes - 6 milímetros - em suas bordas.

No centro de uma das placas está uma lâmina de quartzo sobre a qual é depositada uma película de cobre que, no seu mais fino, tem apenas 30 nanômetros de espessura. Uma curta explosão de luz de um laser ultravioleta atinge o filme em seu ponto mais fino, chocando elétrons soltos, que são emitidos no lado oposto do filme.

Ao mesmo tempo, uma explosão de radiação terahertz passa entre as placas em uma direção perpendicular à do laser. Toda radiação eletromagnética pode ser considerada como tendo componentes elétricos e magnéticos, que são perpendiculares entre si. A radiação terahertz é polarizada de modo que seu componente elétrico acelera os elétrons diretamente em direção à segunda placa.

p A chave para o sistema é que o afunilamento das placas confina a radiação terahertz a uma área - a lacuna de 75 micrômetros - que é mais estreita do que seu próprio comprimento de onda. "Isso é algo especial, "Huang diz." Normalmente, na ótica, você não pode confinar algo abaixo de um comprimento de onda. Mas, usando essa estrutura, fomos capazes. Confiná-lo aumenta a densidade de energia, o que aumenta o poder de aceleração. "

p Por causa desse poder de aceleração aumentado, o dispositivo pode se contentar com feixes de terahertz cuja potência é muito mais baixa do que a dos feixes de radiofrequência usados ​​em uma arma de RF típica. Além disso, o mesmo laser pode gerar o feixe ultravioleta e, com alguns componentes ópticos adicionais, o feixe terahertz.

De acordo com James Rosenzweig, professor de física da Universidade da Califórnia em Los Angeles, esse é um dos aspectos mais atraentes do sistema dos pesquisadores. "Um dos principais problemas que você tem com fontes ultrarrápidas como esta é a variação de tempo entre, dizer, o laser e o campo de aceleração, que produz todos os tipos de efeitos sistemáticos que tornam mais difícil fazer a difração de elétrons resolvida no tempo, "Rosezweig diz.

p "No caso do dispositivo de Kärtner, o laser produz o terahertz e também produz os fotoelétrons, portanto, o jitter é altamente suprimido. Você poderia fazer experimentos com bomba de sondagem em que o laser é o condutor e os elétrons são a sonda, e eles teriam mais sucesso do que você tem agora. E, claro, seria um dispositivo de tamanho muito pequeno e custo modesto. Portanto, pode ser muito importante no que diz respeito a esse cenário. "