Cientistas propõem fonte de luz superbrilhante alimentada por quasipartículas – Physics World

Cientistas propõem fonte de luz superbrilhante alimentada por quasipartículas – Physics World

Carimbo de data / hora: 11 de dezembro de 2023 8h46

Uma simulação de uma fonte de laser poderosa e brilhante criada usando uma coleção de muitos elétrons que se movem juntos como uma única partícula gigante ou quasipartícula
Os cientistas estudaram as propriedades únicas das quasipartículas em plasmas executando simulações computacionais avançadas em supercomputadores disponíveis através da Empresa Comum Europeia de Computação de Alto Desempenho. Eles propõem o uso de quasipartículas para criar fontes de luz tão poderosas quanto as mais avançadas que existem hoje, mas muito menores. (Cortesia: B Malaca)

Uma nova fonte de luz proposta baseada em aceleradores de plasma poderia tornar possível o desenvolvimento de fontes superbrilhantes tão poderosas quanto os mais avançados lasers de elétrons livres – mas muito menores. Se demonstrado experimentalmente, o projeto apresentado por um consórcio internacional de pesquisadores poderá ser aproveitado para uma variedade de aplicações, incluindo imagens não destrutivas e fabricação de chips de computador.

Fontes de luz coerentes, como lasers de elétrons livres, são rotineiramente empregadas em pesquisas acadêmicas, onde são usadas para estudar a estrutura de biomoléculas, a dinâmica de reações químicas e outros quebra-cabeças em física, química e ciência dos materiais. O problema é que eles são enormes: o mais poderoso, o Linac Coherent Light Source da Universidade de Stanford, tem três quilômetros de comprimento e é movido pelo Stanford Linear Accelerator (SLAC). Reduzi-los os colocaria ao alcance de instituições menores, como universidades, hospitais e laboratórios industriais.

Uma “onda mexicana” para elétrons

Pesquisadores liderados por Jorge Vieira da Instituto Superior Técnico (IST) em Portugal, juntamente com João Palastro da Universidade de Rochester, EUA, acham que encontraram uma maneira de fazer exatamente isso. O seu design, que desenvolveram com colegas do University of California, Los Angeles e os votos de Aplicação Laboratoire d'Optique na França, pede a criação de uma fonte de laser poderosa e brilhante usando uma coleção de muitos elétrons que se movem juntos como uma única partícula gigante, ou quasipartícula. “Para imaginar o que queremos dizer com isso, pense nas ondas mexicanas, que parecem dar a volta na arena, mesmo que cada participante permaneça parado”, explica Bernardo Malaca, estudante de doutoramento no IST e primeiro autor de um estudo sobre o design publicado em Nature Photonics. “Essa dinâmica coletiva de partículas carregadas está no cerne da física do plasma.”

Tal como uma onda mexicana pode, em princípio, viajar mais rapidamente do que os humanos individuais na multidão (desde que todos trabalhem em conjunto), Malaca diz que o mesmo pode acontecer com os eletrões. Nesse caso, porém, as consequências seriam muito mais profundas: “As ondas de electrões mexicanas poderiam viajar mais rapidamente do que a velocidade da luz, mesmo que não exista localmente um único electrão que seja mais rápido do que a luz”, explica ele.

Quando isso acontecer, acrescenta Malaca, as ondas coletivas de elétrons irradiariam como se fossem um único elétron superluminal. “A radiação coletiva de elétrons pode ser retratada como se se originasse de uma única partícula, levantando a possibilidade de criar uma classe até então inimaginável de fontes temporalmente coerentes”, diz ele. Mundo da Física.

Uma versão quase-partícula do efeito Cherenkov

No novo trabalho, os pesquisadores, apoiados pelo Empresa Comum Europeia de Computação de Alto Desempenho, utilizou simulações em supercomputadores para estudar as propriedades das quasipartículas no plasma. Estas simulações mostraram que a radiação de uma quasipartícula é de facto fundamentalmente indistinguível daquela produzida por uma única partícula de tamanho finito.

A equipa Portugal-EUA-França também descreve a física de uma versão quase-partícula do efeito Cherenkov. A radiação Cherenkov ocorre quando partículas carregadas se propagam através de um meio a uma velocidade superior à velocidade da luz nesse meio. De acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein, este efeito não pode ocorrer no vácuo, onde a velocidade da luz é fixada em pouco menos de 300 000 km/s. Este limite não se aplica a quasipartículas, entretanto, que podem viajar a qualquer velocidade, inclusive as superluminais. “As quasipartículas podem mover-se de formas que não seriam permitidas pelas leis da física que regem as partículas individuais”, explica Palastro. “É esta liberdade absoluta de controlar a trajetória das quasipartículas que pode ser a chave para uma nova classe de fontes de luz poderosas, porém compactas.”

Viera acrescenta que as quasipartículas podem combinar construtivamente a radiação de 1010 elétrons. Isto, observa ele, é “sobre a carga de um grupo de elétrons no SLAC”.

Uma maneira de criar uma fonte de luz do mundo real a partir de quasipartículas seria enviar um pulso de laser intenso ou um grupo de partículas relativísticas para um plasma ou gás onde a densidade aumenta com a distância, acrescenta. Esta configuração é conhecida como rampa de aumento de densidade e é padrão em aceleradores baseados em plasma. Estes, no entanto, geralmente usam um perfil de densidade constante. A nova configuração criaria uma quasipartícula superluminal levando à emissão de quasipartículas Cherenkov.

“Para criar uma quasipartícula ondulante, levando à radiação ondulatória, poderíamos enviar um pulso de laser intenso ou um grupo de partículas relativísticas para um plasma ou gás onde a densidade varia periodicamente (senoidalmente) com a distância”, explica Viera. “Já existem diferentes configurações para criar esses perfis em laboratório (por exemplo, utilizando o padrão de interferência entre dois pulsos de laser ionizantes, que ionizam o plasma apenas em regiões de interferência construtiva).

“Um impacto enorme”

Se construídas e demonstradas em laboratório, as fontes de luz compactas baseadas em quasipartículas poderão trazer ciência e aplicações que atualmente só são possíveis em alguns lugares do mundo (como no LCLS), diz Viera. “As fontes de luz têm um enorme impacto nas nossas vidas, desde a ciência e tecnologia até às aplicações quotidianas. Por exemplo, eles desempenham um papel crucial na geração de imagens não destrutivas (como a verificação de vírus ou a verificação da qualidade do produto), na compreensão de processos biológicos (como a fotossíntese), na fabricação de chips de computador e na exploração do comportamento da matéria em planetas e estrelas.”

Os pesquisadores estão agora investigando maneiras de fazer com que as quasipartículas irradiem em outros comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Os raios X, por exemplo, têm comprimentos de onda de cerca de 1 nm e seriam particularmente úteis.

“Também estamos tentando demonstrar experimentalmente nosso conceito”, diz Malaca. “Embora seja uma inovação conceitual no momento, acreditamos que a abordagem das quasipartículas é simples o suficiente para ser testada em dezenas ou mesmo centenas de laboratórios em todo o mundo.”

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