O feixe de laser incidente na gota estruturada configura ondas de plasma (pulsos azuis) que aceleram elétrons (esferas sólidas verdes) para energias de megaelétron-volt. Crédito:Adaptado de Física das Comunicações (2024). DOI:10.1038/s42005-024-01550-8 Em aceleradores de partículas massivos, partículas subatômicas (como elétrons) são aceleradas a velocidades superaltas comparáveis à velocidade da luz em direção a uma superfície alvo. A colisão de partículas subatômicas aceleradas dá origem a interações únicas que permitem aos cientistas obter uma compreensão mais profunda das propriedades fundamentais da matéria.
Convencionalmente, os aceleradores de partículas baseados em laser requerem lasers caros (na faixa de 1 a 20 milhões de dólares) e estão contidos em enormes instalações nacionais. Uma configuração tão complexa como essa é capaz de acelerar elétrons a energias de megaelétron-volt (MeV). Mas será que um laser mais simples, custando apenas uma pequena fração dos lasers usados atualmente, pode ser usado para projetar esquemas comparáveis de aceleração de partículas?
Em um salto emocionante, cientistas do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, Hyderabad (TIFRH) projetaram uma solução elegante para gerar com sucesso MeV (10
6
eV) elétrons de temperatura em uma mera fração (100 vezes menor) da intensidade do laser anteriormente considerada necessária.
As descobertas foram publicadas na revista Communications Physics .
A técnica implementa dois pulsos de laser; primeiro para criar uma explosão minúscula e controlada em uma microgotícula, seguida por um segundo pulso para acelerar elétrons a energias de megaelétron-volt (MeV). O que é ainda mais emocionante é que eles conseguiram isso com um laser 100 vezes menor do que se pensava ser necessário, tornando-o mais acessível e versátil para pesquisas futuras. As implicações desta descoberta podem ser dramáticas devido à capacidade de produzir feixes de elétrons de alta energia para aplicações que vão desde testes não destrutivos, imagens, tomografia e microscopia e podem influenciar a ciência dos materiais até as ciências biológicas.
A configuração desenvolvida pelos pesquisadores do TIFRH usa um laser da classe milijoule, disparando a uma taxa de 1.000 pulsos por segundo com pulsos ultracurtos de 25 fs, e é usado para cinzelar dinamicamente microgotículas de 15 µm de diâmetro. Essa modelagem dinâmica do alvo envolve dois pulsos de laser trabalhando em conjunto. O primeiro pulso cria uma superfície côncava na gota de líquido, e o segundo pulso impulsiona ondas de plasma eletrostáticas, impulsionando elétrons para energias MeV.
Ondas eletrostáticas são oscilações no plasma muito parecidas com os distúrbios mecânicos criados em um lago de água quando você atravessa uma pedra. Aqui, o laser cria perturbações no mar de elétrons e gera um “tsunami de elétrons” que se quebra para dar elétrons de alta energia, muito parecido com o impacto de uma onda na costa marítima. O processo gera não um, mas dois feixes de elétrons, cada um com componentes de temperatura distintos:200 keV e 1 MeV.
Esta inovação produz feixes de elétrons direcionados além de 4 MeV com um laser que cabe em uma mesa, tornando-o um divisor de águas para estudos microscópicos resolvidos no tempo em diversos campos científicos.
