Cientistas que controlam com precisão os lasers ultrarrápidos aceleraram elétrons em um trecho de 20 centímetros a velocidades normalmente reservadas para aceleradores de partículas do tamanho de 10 campos de futebol.
Uma equipe da Universidade de Maryland (UMD) liderada pelo professor de Física e Engenharia Elétrica e de Computação Howard Milchberg, em colaboração com a equipe de Jorge J. Rocca da Colorado State University (CSU), conseguiu esse feito usando dois pulsos de laser enviados por um jato de gás hidrogênio. O primeiro pulso rasgou o hidrogênio, abrindo um buraco e criando um canal de plasma. Esse canal guiou um segundo pulso de maior potência que extraiu elétrons do plasma e os arrastou em seu rastro, acelerando-os quase à velocidade da luz no processo.

Com essa técnica, a equipe acelerou os elétrons para quase 40% da energia alcançada em instalações massivas como a Linac Coherent Light Source (LCLS), de quilômetro de extensão, o acelerador do SLAC National Accelerator Laboratory. O artigo foi aceito na revista Physical Review X em 1º de agosto de 2022.

"Este é o primeiro acelerador de elétrons multi-GeV alimentado inteiramente por lasers", diz Milchberg, que também é afiliado ao Instituto de Pesquisa Eletrônica e Física Aplicada da UMD. “E com os lasers se tornando mais baratos e mais eficientes, esperamos que nossa técnica se torne o caminho a seguir para os pesquisadores neste campo”.

Motivando o novo trabalho estão aceleradores como o LCLS, uma pista de um quilômetro de comprimento que acelera os elétrons para 13,6 bilhões de elétron-volts (GeV) – a energia de um elétron que está se movendo a 99,99999993% da velocidade da luz. O predecessor do LCLS está por trás de três descobertas ganhadoras do Prêmio Nobel sobre partículas fundamentais. Agora, um terço do acelerador original foi convertido para o LCLS, usando seus elétrons super-rápidos para gerar os mais poderosos feixes de laser de raios-X do mundo. Os cientistas usam esses raios X para espiar dentro de átomos e moléculas em ação, criando vídeos de reações químicas. Esses vídeos são ferramentas vitais para a descoberta de medicamentos, armazenamento otimizado de energia, inovação em eletrônicos e muito mais.

Acelerar elétrons a energias de dezenas de GeV não é tarefa fácil. O acelerador linear do SLAC dá aos elétrons o impulso que eles precisam usando campos elétricos poderosos que se propagam em uma série muito longa de tubos de metal segmentados. Se os campos elétricos fossem mais poderosos, eles desencadeariam uma tempestade de raios dentro dos tubos e os danificariam seriamente. Sendo incapazes de empurrar os elétrons com mais força, os pesquisadores optaram por simplesmente empurrá-los por mais tempo, fornecendo mais pista para as partículas acelerarem. Daí a fatia de um quilômetro de extensão no norte da Califórnia. Para levar essa tecnologia a uma escala mais gerenciável, as equipes da UMD e da CSU trabalharam para aumentar os elétrons para quase a velocidade da luz usando – apropriadamente – a própria luz.

"O objetivo, em última análise, é reduzir os aceleradores de elétrons da escala GeV para uma sala de tamanho modesto", diz Jaron Shrock, estudante de pós-graduação em física na UMD e co-primeiro autor do trabalho. "Você está usando dispositivos de escala de quilômetro, e você tem outro fator de 1.000 campos de aceleração mais fortes. Então, você está levando escala de quilômetro a escala de metro, esse é o objetivo desta tecnologia."

A criação desses campos de aceleração mais fortes em um laboratório emprega um processo chamado aceleração de campo de vigília de laser, no qual um pulso de luz laser intensa e bem focada é enviada através de um plasma, criando uma perturbação e puxando elétrons em seu rastro.

“Você pode imaginar o pulso do laser como um barco”, diz Bo Miao, pós-doutorando em física na Universidade de Maryland e co-autor do trabalho. "À medida que o pulso de laser viaja no plasma, porque é tão intenso, ele empurra os elétrons para fora de seu caminho, como a água empurrada pela proa de um barco. Esses elétrons circulam ao redor do barco e se reúnem logo atrás dele, viajando em a vigília do pulso."

A aceleração do laser wakefield foi proposta pela primeira vez em 1979 e demonstrada em 1995. Mas a distância na qual ela poderia acelerar os elétrons permaneceu teimosamente limitada a alguns centímetros. O que permitiu que a equipe da UMD e da CSU aproveitasse a aceleração do wakefield com mais eficiência do que nunca foi uma técnica que a equipe da UMD foi pioneira para domar o feixe de alta energia e impedir que ele espalhasse sua energia muito fina. Sua técnica perfura um buraco no plasma, criando um guia de ondas que mantém a energia do feixe focada.

"Um guia de ondas permite que um pulso se propague por uma distância muito maior", explica Shrock. "Precisamos usar plasma porque esses pulsos são de alta energia, são tão brilhantes que destruiriam um cabo de fibra ótica tradicional. O plasma não pode ser destruído porque, em certo sentido, já é."

Sua técnica cria algo parecido com cabos de fibra ótica – as coisas que transportam serviços de internet de fibra ótica e outros sinais de telecomunicações – do nada. Ou, mais precisamente, de jatos de gás hidrogênio cuidadosamente esculpidos.

Um guia de ondas de fibra óptica convencional consiste em dois componentes:um "núcleo" central que guia a luz e um "revestimento" circundante que evita que a luz vaze. Para fazer seu guia de ondas de plasma, a equipe usa um feixe de laser adicional e um jato de gás hidrogênio. À medida que esse laser "guia" adicional percorre o jato, ele arranca os elétrons dos átomos de hidrogênio e cria um canal de plasma. O plasma é quente e começa a se expandir rapidamente, criando um "núcleo" de plasma de densidade mais baixa e um gás de densidade mais alta em sua franja, como uma concha cilíndrica. Então, o feixe de laser principal (aquele que reunirá elétrons em seu rastro) é enviado por esse canal. A borda frontal desse pulso também transforma a camada de densidade mais alta em plasma, criando o "revestimento".

“É como se o primeiro pulso limpasse uma área”, diz Shrock, “e então o pulso de alta intensidade desce como um trem com alguém parado na frente jogando os trilhos enquanto anda”.

Usando a técnica de guia de onda de plasma gerado opticamente pela UMD, combinada com o laser de alta potência e a experiência da equipe da CSU, os pesquisadores conseguiram acelerar alguns de seus elétrons a impressionantes 5 GeV. Isso ainda é um fator de 3 a menos do que o acelerador massivo do SLAC, e não é exatamente o máximo alcançado com a aceleração do laser wakefield (essa honra pertence a uma equipe do Lawrence Berkeley National Labs). No entanto, a energia do laser usada por GeV de aceleração no novo trabalho é um recorde, e a equipe diz que sua técnica é mais versátil:pode produzir rajadas de elétrons milhares de vezes por segundo (em oposição a aproximadamente uma vez por segundo), tornando é uma técnica promissora para muitas aplicações, desde física de alta energia até a geração de raios X que podem fazer vídeos de moléculas e átomos em ação como no LCLS. Agora que a equipe demonstrou o sucesso do método, eles planejam refinar a configuração para melhorar o desempenho e aumentar a aceleração para energias mais altas.

“Neste momento, os elétrons são gerados ao longo de todo o comprimento do guia de ondas, com 20 centímetros de comprimento, o que torna sua distribuição de energia menos que ideal”, diz Miao. "Podemos melhorar o design para que possamos controlar onde eles são injetados com precisão e, então, podemos controlar melhor a qualidade do feixe de elétrons acelerado".

Embora o sonho do LCLS em uma mesa ainda não seja uma realidade, os autores dizem que este trabalho mostra um caminho a seguir. "Há muita engenharia e ciência a ser feita entre agora e então", diz Shrock. "Os aceleradores tradicionais produzem feixes altamente repetíveis com todos os elétrons com energias semelhantes e viajando na mesma direção. Ainda estamos aprendendo como melhorar esses atributos de feixe em aceleradores de laser wakefield multi-GeV. Também é provável que para atingir energias na escala de dezenas de GeV, precisaremos encenar múltiplos aceleradores de wakefield, passando os elétrons acelerados de um estágio para o próximo, preservando a qualidade do feixe. + Explorar mais

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