p Os cientistas do SLAC e de Stanford usaram chips nanofabricados de sílica fundida com apenas três milímetros de comprimento para acelerar os elétrons a uma taxa 10 vezes maior do que a tecnologia de acelerador de partículas convencional. Crédito:Matt Beardsley, SLAC National Accelerator Laboratory
p Em um avanço que poderia reduzir drasticamente os aceleradores de partículas para a ciência e a medicina, os pesquisadores usaram um laser para acelerar os elétrons a uma taxa 10 vezes maior do que a tecnologia convencional em um chip de vidro nanoestruturado menor do que um grão de arroz. p A conquista foi relatada hoje em
Natureza por uma equipe que inclui cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Stanford.
p "Ainda temos uma série de desafios antes que essa tecnologia se torne prática para uso no mundo real, mas, eventualmente, reduziria substancialmente o tamanho e o custo dos futuros aceleradores de partículas de alta energia para explorar o mundo das partículas e forças fundamentais, "disse Joel England, o físico do SLAC que conduziu os experimentos. "Também pode ajudar a habilitar aceleradores compactos e dispositivos de raio-X para varredura de segurança, terapia médica e imagem, e pesquisa em biologia e ciência dos materiais. "
p Por empregar lasers comerciais e de baixo custo, técnicas de produção em massa, os pesquisadores acreditam que ele definirá o terreno para novas gerações de aceleradores de "mesa".
p Em todo o seu potencial, o novo "acelerador em um chip" poderia igualar o poder de aceleração do acelerador linear de 2 milhas do SLAC em apenas 100 pés, e entregar mais um milhão de pulsos de elétrons por segundo.
p A chave para os chips aceleradores é minúscula, cumes precisamente espaçados, que causam a iridescência vista nesta foto de close-up. Crédito:Matt Beardsley, SLAC National Accelerator Laboratory
p Esta demonstração inicial alcançou um gradiente de aceleração, ou quantidade de energia ganha por comprimento, de 300 milhões de elétron-volts por metro. Isso é cerca de 10 vezes a aceleração fornecida pelo atual acelerador linear SLAC.
p "Nosso objetivo final para esta estrutura é 1 bilhão de eletronvolts por metro, e já estamos com um terço do caminho em nosso primeiro experimento, "disse o professor de Stanford Robert Byer, o investigador principal desta pesquisa.
p Os aceleradores de hoje usam microondas para aumentar a energia dos elétrons. Os pesquisadores têm procurado alternativas mais econômicas, e esta nova técnica, que usa lasers ultrarrápidos para acionar o acelerador, é um candidato líder.
p As partículas são geralmente aceleradas em dois estágios. Primeiro, eles são aumentados para quase a velocidade da luz. Então, qualquer aceleração adicional aumenta sua energia, mas não sua velocidade; esta é a parte desafiadora.
p Nos experimentos do acelerador em um chip, os elétrons são primeiro acelerados para perto da velocidade da luz em um acelerador convencional. Em seguida, eles são focados em um minúsculo, canal de meio mícron de altura dentro de um chip de vidro de sílica fundido com apenas meio milímetro de comprimento. O canal foi modelado com cristas em nanoescala com espaçamento preciso. A luz do laser infravermelho brilhando no padrão gera campos elétricos que interagem com os elétrons no canal para aumentar sua energia. (Veja a animação que acompanha para mais detalhes.)
Esta animação mostra como nosso acelerador em um chip usa luz laser para aumentar a energia do elétron. Nos experimentos do acelerador em um chip, os elétrons são primeiro acelerados para perto da velocidade da luz em um acelerador convencional. Em seguida, eles são focados em um minúsculo, canal de meio mícron de altura dentro de um chip de vidro de apenas meio milímetro de comprimento. O canal foi modelado com cristas em nanoescala com espaçamento preciso. A luz do laser infravermelho brilhando no padrão gera campos elétricos que interagem com os elétrons no canal para aumentar sua energia. Crédito:Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory p Transformar o acelerador em um chip em um acelerador de mesa completo exigirá uma forma mais compacta de aumentar a velocidade dos elétrons antes de entrarem no dispositivo.
p Um grupo de pesquisa colaborador na Alemanha, liderado por Peter Hommelhoff no Max Planck Institute of Quantum Optics, tem procurado essa solução. Ele reporta simultaneamente em
Cartas de revisão física seu sucesso em usar um laser para acelerar elétrons de baixa energia.
p Os aplicativos para esses novos aceleradores de partículas iriam muito além da pesquisa em física de partículas. Byer disse que os aceleradores de laser podem conduzir lasers compactos de elétrons livres de raios-X, comparável à fonte de luz coerente Linac da SLAC, que são ferramentas multifuncionais para uma ampla gama de pesquisas.
p Outra aplicação possível é pequena, fontes portáteis de raios-X para melhorar o atendimento médico aos feridos em combate, além de fornecer imagens médicas mais acessíveis para hospitais e laboratórios. Esse é um dos objetivos do programa Advanced X-Ray Integrated Sources (AXiS) da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), que financiou parcialmente esta pesquisa. O financiamento principal para esta pesquisa é do Office of Science do DOE.
