Pesquisadores do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia fizeram um novo avanço promissor para a "câmera eletrônica" de alta velocidade do laboratório que poderia permitir que eles "filmassem" minúsculos, movimentos ultrarrápidos de prótons e elétrons em reações químicas que nunca foram vistas antes. Esses "filmes" podem eventualmente ajudar os cientistas a projetar processos químicos mais eficientes, inventar materiais de última geração com novas propriedades, desenvolver medicamentos para combater doenças e muito mais.

A nova técnica aproveita uma forma de luz chamada radiação terahertz, em vez da radiação de radiofrequência usual, para manipular os feixes de elétrons que o instrumento usa. Isso permite que os pesquisadores controlem a velocidade com que a câmera tira instantâneos e, ao mesmo tempo, reduz um efeito incômodo chamado jitter de tempo, o que impede os pesquisadores de registrar com precisão a linha do tempo de como os átomos ou moléculas mudam.

O método também pode levar a aceleradores de partículas menores:como os comprimentos de onda da radiação terahertz são cerca de cem vezes menores do que os das ondas de rádio, instrumentos que usam radiação terahertz poderiam ser mais compactos.

Os pesquisadores publicaram as descobertas em Cartas de revisão física em 4 de fevereiro.

Uma câmera rápida

Câmera de elétrons do SLAC, "ou instrumento de difração de elétrons ultrarrápidos (MeV-UED), usa feixes de elétrons de alta energia viajando perto da velocidade da luz para tirar uma série de instantâneos - essencialmente um filme - de ação entre e dentro das moléculas. Isso tem sido usado, por exemplo, para fazer um filme de como uma molécula em forma de anel se quebra quando exposta à luz e para estudar processos em nível de átomo no derretimento de tungstênio que podem informar os projetos de reatores nucleares.

A técnica funciona disparando feixes de elétrons em um objeto-alvo e registrando como os elétrons se espalham quando interagem com os átomos do alvo. Os feixes de elétrons definem a velocidade do obturador da câmera de elétrons. Quanto mais curtos os cachos, mais rápidos os movimentos que eles podem capturar em uma imagem nítida.

"É como se o alvo estivesse congelado no tempo por um momento, "diz Emma Snively do SLAC, que liderou o novo estudo.

Por essa razão, os cientistas querem fazer com que todos os elétrons em um grupo atinjam um alvo o mais próximo possível simultaneamente. Eles fazem isso dando aos elétrons na parte de trás um pequeno aumento de energia, para ajudá-los a alcançar os que estão na liderança.

Até aqui, pesquisadores usaram ondas de rádio para fornecer essa energia. Mas a nova técnica desenvolvida pela equipe SLAC nas instalações do MeV-UED usa luz em frequências terahertz.

Por que terahertz?

A principal vantagem de usar radiação terahertz reside em como o experimento encurta os feixes de elétrons. Na instalação MeV-UED, os cientistas disparam um laser em um eletrodo de cobre para eliminar os elétrons e criar feixes de feixes de elétrons. E até recentemente, eles normalmente usavam ondas de rádio para tornar esses feixes mais curtos.

Contudo, as ondas de rádio também aumentam cada feixe de elétrons para uma energia ligeiramente diferente, portanto, os cachos individuais variam na rapidez com que alcançam seu alvo. Esta variação de tempo é chamada de jitter, e reduz a capacidade dos pesquisadores de estudar processos rápidos e registrar com precisão a data e hora de como um alvo muda com o tempo.

O método terahertz contorna isso dividindo o feixe de laser em dois. Um feixe atinge o eletrodo de cobre e cria feixes de elétrons como antes, e o outro gera os pulsos de radiação terahertz para encurtar os feixes de elétrons. Uma vez que foram produzidos pelo mesmo feixe de laser, feixes de elétrons e pulsos de terahertz agora estão sincronizados entre si, reduzindo o jitter de tempo entre os cachos.

Até o femtossegundo

Uma inovação fundamental para este trabalho, os pesquisadores dizem, estava criando uma cavidade do acelerador de partículas, chamado de compressor. Este pedaço de metal cuidadosamente usinado é pequeno o suficiente para caber na palma da mão. Dentro do dispositivo, os pulsos de terahertz encurtam os feixes de elétrons e lhes dão um impulso direcionado e eficaz.

Como resultado, a equipe poderia comprimir feixes de elétrons para que durassem apenas algumas dezenas de femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo. Isso não é tanta compressão quanto os métodos convencionais de radiofrequência podem alcançar agora, mas os pesquisadores dizem que a capacidade de reduzir simultaneamente o jitter torna o método do terahertz promissor. Os compressores menores possibilitados pelo método terahertz também significariam um custo menor em comparação com a tecnologia de radiofrequência.

"Esquemas típicos de compressão de radiofrequência produzem pacotes mais curtos, mas jitter muito alto, "diz Mohamed Othman, outro pesquisador do SLAC na equipe. "Se você produzir um cacho compactado e também reduzir o jitter, então você será capaz de capturar processos muito rápidos que nunca pudemos observar antes. "

Eventualmente, a equipe diz, o objetivo é comprimir os feixes de elétrons até cerca de um femtossegundo. Os cientistas poderiam então observar as escalas de tempo incrivelmente rápidas do comportamento atômico em reações químicas fundamentais, como a quebra das ligações de hidrogênio e a transferência de prótons individuais entre os átomos, por exemplo, que não são totalmente compreendidos.

"Ao mesmo tempo que investigamos a física de como esses feixes de elétrons interagem com essas intensas ondas terahertz, também estamos construindo uma ferramenta que outros cientistas podem usar imediatamente para explorar materiais e moléculas de uma forma que não era possível antes, "diz Emilio Nanni do SLAC, que liderou o projeto com Renkai Li, outro pesquisador do SLAC. "Acho que é um dos aspectos mais gratificantes desta pesquisa."