Os cientistas desenvolveram com sucesso um acelerador de partículas de bolso capaz de projetar feixes de elétrons ultracurtos com luz laser a mais de 99,99% da velocidade da luz.

Para alcançar este resultado, os pesquisadores tiveram que reduzir a velocidade da luz para corresponder à velocidade dos elétrons, usando uma estrutura metálica especialmente projetada, revestida com camadas de quartzo mais finas do que um fio de cabelo humano.

Este enorme salto à frente oferece simultaneamente a capacidade de medir e manipular grupos de partículas em escalas de tempo de menos de 10 femtossegundos (0,000 000 000 000 01 segundos, ou o tempo que leva a luz para viajar 1/100 de milímetro). Isso permitirá que eles criem fotografias estroboscópicas do movimento atômico.

Esta demonstração de sucesso abre o caminho para o desenvolvimento de alta energia, alta carga, aceleradores acionados por Terahertz (THz) de alta qualidade, que prometem ser mais baratos e compactos. Reduzindo o tamanho e o custo da tecnologia do acelerador, irá abrir essas máquinas incríveis para uma gama muito mais ampla de aplicações.

Os aceleradores de partículas são amplamente difundidos com aplicações em pesquisas básicas em física de partículas, caracterização de materiais, radioterapia em hospitais, onde são usados ​​para tratar pacientes com câncer, produção de radioisótopos para imagens médicas, e triagem de segurança da carga. A tecnologia básica (osciladores de radiofrequência) que sustenta essas máquinas, no entanto, foi desenvolvido para radar durante a Segunda Guerra Mundial.

Em uma nova pesquisa publicada hoje em Nature Photonics , uma equipe colaborativa de acadêmicos mostra que sua solução única é usar lasers para gerar pulsos de luz em frequência terahertz. Terahertz é uma região do espectro eletromagnético entre infravermelho (usado em controles remotos de TV) e microondas (usado em fornos de microondas). A radiação THz gerada por laser existe no regime de comprimento de onda ideal em escala milimétrica, tornando a fabricação de estruturas mais simples, mas o mais importante, fornecendo os comprimentos de meio-ciclo que são bem adequados para a aceleração de feixes inteiros de elétrons com altos níveis de carga.

O principal autor do artigo, Dr. Morgan Hibberd, da Universidade de Manchester, disse:"O principal desafio foi combinar a velocidade do campo THz em aceleração com a velocidade do feixe de elétrons quase na velocidade da luz, ao mesmo tempo, evita que a velocidade inerentemente mais baixa do envelope de pulso THz que se propaga através de nossa estrutura de aceleração degrada significativamente o comprimento sobre o qual o campo de direção e os elétrons interagem. "

"Superamos esse problema desenvolvendo uma fonte THz exclusiva que produzia pulsos mais longos contendo apenas uma faixa estreita de frequências, aumentando significativamente a interação. Nosso próximo marco é demonstrar ganhos de energia ainda maiores, mantendo a qualidade do feixe. Prevemos que isso será realizado por meio de refinamentos para aumentar nossa fonte de energia THz, que já estão em andamento. "

O professor Steven Jamison, da Lancaster University, que lidera o programa, explicou:"A aceleração controlada de feixes relativísticos com pulsos de laser de frequência terahertz é um marco no desenvolvimento de uma nova abordagem para aceleradores de partículas. Ao usar frequências eletromagnéticas cem vezes mais altas do que em aceleradores de partículas convencionais, um avanço revolucionário no controle dos feixes de partículas em escalas de tempo de femtossegundos se torna possível. "

"Com nossa demonstração de aceleração terahertz de partículas viajando a 99,99% da velocidade da luz, confirmamos uma rota para escalar a aceleração de terahertz para energias altamente relativísticas. "

Embora os pesquisadores estejam atentos ao papel de longo prazo de seus conceitos na substituição de aceleradores de pesquisa em escala de vários quilômetros (como a fonte de raios-X de 3 km da Europa em Hamburgo) por dispositivos de meros metros de comprimento, eles esperam que os impactos imediatos sejam nos campos da radioterapia e na caracterização de materiais.

Dr. Darren Graham, O professor sênior de física da Universidade de Manchester disse:"Alcançar esse marco não teria sido possível sem o ambiente colaborativo exclusivo fornecido pelo Instituto Cockcroft, que ajudou a reunir cientistas e engenheiros da Universidade de Lancaster, A Universidade de Manchester e a equipe do STFC no Laboratório Daresbury. "