Os pesquisadores de Stanford estão cada vez mais perto de construir um minúsculo acelerador de elétrons baseado na tecnologia "acelerador em um chip", com amplo potencial de aplicações no estudo da física, bem como em usos médicos e industriais.



Os pesquisadores demonstraram que um acelerador de laser dielétrico de silício, ou DLA, pode agora acelerar e confinar elétrons, criando um feixe focado de elétrons de alta energia. “Se os elétrons fossem carros microscópicos, seria como se, pela primeira vez, estivéssemos dirigindo e com o pé no acelerador”, disse Payton Broaddus, Ph.D. '23 em engenharia elétrica e autor principal de um artigo publicado na Physical Review Letters em 23 de fevereiro detalhando a descoberta.

Levando aceleradores de milhas para mícrons

Os aceleradores produzem feixes de partículas de alta energia que permitem aos físicos estudar as propriedades dos materiais, produzir sondas focadas para aplicações médicas e identificar os blocos de construção elementares que constituem toda a matéria do universo. Alguns dos primeiros aceleradores de partículas de alta energia, desenvolvidos na década de 1930, cabiam em uma mesa.

Mas eram necessárias energias de partículas mais elevadas para estudar física mais avançada, por isso os cientistas precisavam de construir sistemas maiores. (Iniciado em 1966, o túnel do acelerador linear original no SLAC National Accelerator Laboratory, no campus de Stanford, tem quase 3 quilômetros de comprimento.)

Embora esses sistemas tenham possibilitado inúmeras descobertas na física de partículas, Broaddus está motivado a construir um minúsculo acelerador linear que poderia eventualmente rivalizar com as capacidades de máquinas com mais de mil vezes o seu tamanho, por uma fração do custo.

Isto também permitiria novas aplicações na medicina, como a capacidade de anexar este dispositivo a uma pequena sonda e disparar com precisão um feixe de elétrons em um tumor. “Existe a capacidade de substituir completamente todos os outros aceleradores de partículas por algo que seja mais barato e menor”, ​​disse ele.

Graças aos avanços na fabricação em nanoescala e nos lasers, essa visão é cada vez mais possível, disse Olav Solgaard, diretor do Laboratório Edward L. Ginzton e professor Robert L. e Audrey S. Hancock na Escola de Engenharia e autor sênior do o papel.

Os aceleradores de radiofrequência tradicionais são compostos de cavidades de cobre que são bombeadas com ondas de rádio, que dão às partículas um impulso energético. Esses pulsos podem aquecer o metal, portanto as cavidades precisam operar com energia e taxas de pulso mais baixas para dissipar o calor e evitar o derretimento.

Mas as estruturas de vidro e silício podem lidar com pulsos de energia muito mais altos dos lasers sem aquecer, de modo que podem ser muito mais potentes e ao mesmo tempo menores. Cerca de 10 anos atrás, pesquisadores de Stanford começaram a fazer experiências com estruturas nanométricas feitas desses materiais.

Em 2013, uma equipe liderada pelo coautor do artigo Robert Byer, professor emérito William R. Kenan Jr., demonstrou que um minúsculo acelerador de vidro com luz infravermelha pulsante acelerou elétrons com sucesso. Esses resultados levaram o projeto a ser adotado pela Fundação Gordon e Betty Moore sob a colaboração internacional Accelerator on a Chip (ACHIP) para produzir um acelerador de mega-elétron-volt do tamanho de uma caixa de sapatos.

Mas esse primeiro “acelerador em um chip” ainda tinha alguns problemas para resolver. Como diz Broaddus, os elétrons lá dentro eram como carros em uma estrada estreita sem volante. Eles poderiam acelerar muito rapidamente, mas facilmente bater em uma parede.

Direcionando elétrons com lasers

Agora, esta equipe de pesquisadores de Stanford demonstrou com sucesso que também pode direcionar elétrons em nanoescala. Para fazer isso, eles construíram uma estrutura de silício com um canal submícron colocado em um sistema de vácuo. Eles injetaram elétrons em uma extremidade e iluminaram a estrutura de ambos os lados com um pulso de laser moldado que emitia impulsos de energia cinética. Periodicamente, os campos de laser alternavam entre propriedades de foco e desfocagem, o que agrupava os elétrons, evitando que se desviassem do caminho.

Ao todo, essa cadeia de aceleração, desfocagem e focagem atuou sobre os elétrons a uma distância de quase um milímetro. Pode não parecer muito longe, mas essas partículas carregadas tiveram um grande impacto, ganhando 23,7 quilo-elétron-volts de energia, aproximadamente 25% maior que sua energia inicial. A taxa de aceleração que a equipe conseguiu alcançar em seu protótipo de pequeno acelerador é comparável à dos aceleradores convencionais de cobre, e Broaddus acrescenta que são possíveis taxas de aceleração muito mais altas.

Embora seja um avanço significativo, há muito que precisa ser feito antes que esses pequenos aceleradores possam ser usados ​​na indústria, na medicina e na pesquisa. Até agora, a capacidade da equipa de orientar os electrões tem sido limitada a duas dimensões; o confinamento tridimensional de elétrons será necessário para permitir que o acelerador seja longo o suficiente para que ocorram maiores ganhos de energia.

Corrida de revezamento de elétrons

Um grupo de pesquisa irmão da Universidade Friedrich Alexander (FAU) em Erlangen, Alemanha, demonstrou recentemente um dispositivo semelhante com um único laser e começando com uma energia inicial muito mais baixa. Ele e o dispositivo de Stanford acabarão por fazer parte de uma espécie de corrida de revezamento de elétrons, disse Broaddus.

Este futuro revezamento teria três companheiros de equipe:o dispositivo FAU pegaria elétrons de baixa energia e lhes daria um impulso inicial, e então eles poderiam ser alimentados em um dispositivo semelhante ao que Broaddus está desenvolvendo. O último passo para os elétrons seria um acelerador de vidro, como o desenvolvido por Byer. O vidro pode suportar golpes ainda maiores de lasers do que o silício, permitindo que o acelerador energize ainda mais e empurre os elétrons em direção à velocidade da luz.

Eventualmente, Solgaard acredita que um acelerador tão pequeno será útil na física de altas energias, explorando a matéria fundamental que constitui o universo, tal como fazem os seus homólogos maiores. “Temos um caminho muito, muito longo a percorrer”, disse ele. Mas ele ainda está otimista, acrescentando:“demos os primeiros passos”.

Mais informações: Payton Broaddus et al, Subrelativistic Alternating Phase Focusing Dielectric Laser Accelerators, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.085001
Fornecido pela Universidade de Stanford