Como os pesquisadores exploram a natureza em seu nível mais fundamental? Eles constroem "supermicroscópios" que podem resolver detalhes atômicos e subatômicos. Isso não funcionará com luz visível, mas eles podem sondar as menores dimensões da matéria com feixes de elétrons, ou usando-os diretamente em colisores de partículas ou convertendo sua energia em raios-X brilhantes em lasers de raios-X. No coração dessas máquinas de descoberta científica estão os aceleradores de partículas que primeiro geram elétrons em uma fonte e, em seguida, aumentam sua energia em uma série de cavidades do acelerador.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, demonstrou uma fonte de elétrons potencialmente muito mais brilhante com base no plasma que poderia ser usada de forma mais compacta, aceleradores de partículas mais poderosos.

O método, em que os elétrons para o feixe são liberados de átomos neutros dentro do plasma, é conhecida como a técnica do cavalo de Tróia porque é uma reminiscência da forma como os gregos antigos teriam invadido a cidade de Tróia, escondendo seus poderosos soldados (elétrons) dentro de um cavalo de madeira (plasma), que foi então puxado para a cidade (acelerador).

"Nosso experimento mostra pela primeira vez que o método do cavalo de Tróia realmente funciona, "diz Bernhard Hidding da Universidade de Strathclyde em Glasgow, Escócia, o principal investigador de um estudo publicado hoje em Física da Natureza . "É um dos métodos mais promissores para futuras fontes de elétrons e pode ultrapassar os limites da tecnologia atual."

Substituindo metal por plasma

Nos aceleradores de última geração, elétrons são gerados por luz de laser brilhante em um fotocátodo metálico, que chuta elétrons para fora do metal. Esses elétrons são então acelerados dentro das cavidades metálicas, onde eles retiram mais e mais energia de um campo de radiofrequência, resultando em um feixe de elétrons de alta energia. Em lasers de raios-X, como Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC, o feixe conduz a produção de raios-X extremamente brilhantes.

Mas as cavidades de metal só podem suportar um ganho de energia limitado em uma determinada distância, ou gradiente de aceleração, antes de quebrar, e, portanto, os aceleradores para feixes de alta energia se tornam muito grandes e caros. Nos últimos anos, os cientistas do SLAC e de outros lugares buscaram maneiras de tornar os aceleradores mais compactos. Eles demonstraram, por exemplo, que eles podem substituir cavidades de metal por plasma que permite gradientes de aceleração muito mais elevados, potencialmente diminuindo o comprimento dos futuros aceleradores 100 para 1, 000 vezes.

O novo artigo expande o conceito de plasma para a fonte de elétrons de um acelerador.

"Já mostramos que a aceleração do plasma pode ser extremamente poderosa e eficiente, mas ainda não conseguimos produzir feixes com qualidade alta o suficiente para aplicações futuras, "diz o co-autor Mark Hogan do SLAC." Melhorar a qualidade do feixe é uma das principais prioridades para os próximos anos, e o desenvolvimento de novos tipos de fontes de elétrons é uma parte importante disso. "

De acordo com cálculos anteriores de Hidding e colegas, a técnica do cavalo de Tróia poderia fazer feixes de elétrons de 100 a 10, 000 vezes mais brilhante do que os feixes mais poderosos de hoje. Feixes de elétrons mais brilhantes também tornariam os futuros lasers de raios-X mais brilhantes e aumentariam ainda mais suas capacidades científicas.

"Se formos capazes de casar os dois impulsos principais - gradientes de alta aceleração no plasma e criação de feixe no plasma - poderemos construir lasers de raios-X que desdobram o mesmo poder a uma distância de alguns metros em vez de quilômetros, "diz o co-autor James Rosenzweig, o principal investigador do projeto do cavalo de Tróia na Universidade da Califórnia, Los Angeles.

Produzindo feixes de elétrons superiores

Os pesquisadores realizaram seu experimento na Facilidade para Testes Experimentais de Acelerador Avançado (FACET) do SLAC. A facilidade, que está passando por uma grande atualização, gera pulsos de elétrons altamente energéticos para pesquisa em tecnologias de aceleradores de próxima geração, incluindo aceleração de plasma.

Primeiro, a equipe lançou luz laser em uma mistura de hidrogênio e gás hélio. A luz tinha energia suficiente para retirar os elétrons do hidrogênio, transformando hidrogênio neutro em plasma. Não era energético o suficiente para fazer o mesmo com o hélio, no entanto, cujos elétrons são mais fortemente ligados do que os do hidrogênio, então ficou neutro dentro do plasma.

Então, os cientistas enviaram um dos feixes de elétrons do FACET através do plasma, onde produziu uma esteira de plasma, muito parecido com um barco a motor cria uma esteira quando desliza pela água. Os elétrons à direita podem "surfar" na esteira e ganhar uma quantidade enorme de energia.

Mais trabalho de P&D pela frente

Mas antes que aplicações como lasers compactos de raios-X se tornem realidade, muito mais pesquisas precisam ser feitas.

Próximo, os pesquisadores querem melhorar a qualidade e estabilidade de seu feixe e trabalhar em diagnósticos melhores que lhes permitam medir o brilho real do feixe, em vez de estimá-lo.

Esses desenvolvimentos serão feitos após a atualização do FACET, FACET-II, está completo. "O experimento se baseia na capacidade de usar um feixe de elétrons forte para produzir a esteira de plasma, "diz Vitaly Yakimenko, Diretor da Divisão FACET do SLAC. "FACET-II será o único lugar no mundo que produzirá tais feixes com intensidade e energia suficientemente altas."

Neste estudo, os elétrons restantes vieram de dentro do plasma (veja a animação acima e o filme abaixo). Apenas quando o grupo de elétrons e sua esteira passaram, os pesquisadores eletrocutaram o hélio no plasma com um segundo, flash laser bem focalizado. Desta vez, o pulso de luz tinha energia suficiente para expulsar elétrons dos átomos de hélio, e os elétrons foram então acelerados na esteira.

A sincronização entre o feixe de elétrons, correndo através do plasma quase à velocidade da luz, e o flash laser, durando apenas alguns milionésimos de bilionésimo de segundo, foi particularmente importante e desafiador, diz Aihua Deng da UCLA, um dos principais autores do estudo:"Se o flash vier muito cedo, os elétrons que ele produz perturbarão a formação da esteira do plasma. Se for tarde demais, a esteira de plasma mudou e os elétrons não serão acelerados. "

Os pesquisadores estimam que o brilho do feixe de elétrons obtido com o método do cavalo de Tróia já pode competir com o brilho das fontes de elétrons de última geração existentes.

"O que torna nossa técnica transformadora é a forma como os elétrons são produzidos, "diz Oliver Karger, o outro autor principal, que estava na Universidade de Hamburgo, Alemanha, no momento do estudo. Quando os elétrons são removidos do hélio, eles são acelerados rapidamente na direção para frente, que mantém o feixe estreitamente agrupado e é um pré-requisito para feixes mais brilhantes.