XFEL europeu cria matéria exótica

Experimentos no XFEL europeu geram estados da matéria que são próximos ao que ocorre no interior de planetas ou na cápsula implodindo de um reator de fusão inercial. Ao mesmo tempo, eles abrem um caminho para medir fenômenos ultracurtos.

Explorar as condições extremas alcançadas no interior de planetas, incluindo a Terra, ou durante uma reação de fusão, é um grande desafio. Ao focar o laser de raios X extremamente poderoso do XFEL europeu em uma folha de cobre, pesquisadores criaram e investigaram um estado da matéria muito distante do equilíbrio, denominado matéria densa quente (WDM), que se assemelha a tais ambientes exóticos.

Suas descobertas fazem avanços notáveis ​​na compreensão e caracterização deste estado elusivo da matéria, que é crucial para o avanço da fusão de confinamento inercial, um processo que promete energia limpa e abundante. A pesquisa é publicada no periódico Física da Natureza.

O calor pode mudar drasticamente o estado da matéria. Dependendo da temperatura, as substâncias são sólidas, líquidas ou gasosas. Em uma certa faixa de temperatura, a matéria também assume um estado conhecido como matéria densa quente (WDM): ela é quente demais para ser descrita pela física da matéria condensada, mas ao mesmo tempo densa demais para a física de plasmas fracamente acoplados.

O limite entre a matéria densa quente e outros estados da matéria não é precisamente definido. Frequentemente, uma faixa de temperatura de 5.000 Kelvin a 100.000 Kelvin é especificada em pressões de várias centenas de milhares de bar, em que um bar corresponde à pressão do ar na superfície da Terra.

O WDM não é estável em nosso ambiente diário e é muito difícil de produzir ou mesmo examinar em laboratório. Normalmente, os cientistas comprimem amostras em células de bigorna de diamante para atingir altas pressões, ou usam lasers ópticos poderosos para transformar sólidos em WDM por uma pequena fração de segundo.

Os intensos pulsos de raios X do XFEL europeu provaram ser uma ferramenta muito útil para gerar e analisar matéria densa quente. Os pesquisadores usaram cobre como material de amostra. “A alta intensidade dos pulsos pode excitar os elétrons na folha de cobre a tal ponto que ela muda para o estado de matéria densa quente”, explica Laurent Mercadier, um cientista do instrumento SCS que liderou o experimento. “Isso pode ser visto em uma mudança em sua transmissão de luz.”

Um metal que é irradiado por um pulso intenso de raios X pode se tornar transparente se os elétrons no metal absorverem energia de raios X tão rápido que não haja mais elétrons para excitar. A cauda restante do pulso pode então penetrar o material sem impedimentos. Isso é conhecido como absorção saturável (SA).

Por outro lado, um metal pode se tornar cada vez mais opaco se a frente do pulso criar estados excitados que tenham um coeficiente de absorção maior do que o metal frio. A cauda do pulso é então absorvida mais fortemente, um efeito conhecido como absorção saturável reversa (RSA). Ambos os processos são rotineiramente usados ​​em óptica, por exemplo, para gerar um comprimento de pulso específico com lasers.

Os pesquisadores do European XFEL agora irradiaram pulsos de raios X de 15 femtossegundos de comprimento, nitidamente focados, em um filme de cobre de 100 nanômetros de espessura. Eles então analisaram o sinal transmitido usando um espectrômetro.

“O espectro depende muito da intensidade do pulso de raios X”, explica Mercadier. “Em intensidades de raios X baixas a moderadas, o cobre se torna cada vez mais opaco ao feixe de raios X e exibe RSA. No entanto, em intensidades mais altas, a absorção satura e a folha se torna transparente.”

Essas alterações drásticas de opacidade acontecem tão rápido que os núcleos atômicos no metal não têm tempo para se mover. “Estamos lidando com um estado muito exótico da matéria, onde a rede é fria e alguns dos elétrons ionizados são quentes e não estão em equilíbrio com os elétrons livres restantes do metal”, explica Mercadier.

“Para explicar isso, desenvolvemos uma teoria que combina física de estado sólido e de plasma.” Para os pesquisadores, a mudança de opacidade é um sinal de que eles conseguiram criar e caracterizar matéria densa e quente em laboratório.

Entender a opacidade do material sob essas condições extremas é urgentemente necessário para a fusão por confinamento inercial. Nesta última, energia intensa é usada para comprimir e aquecer um alvo de combustível, criando condições necessárias para a fusão. A opacidade determina quanta energia de radiação é absorvida ou transmitida através do material, o que é essencial para garantir que a energia usada para compressão não escape, permitindo reações de fusão eficientes.

Curto não é curto o suficiente

“Na verdade, esses efeitos acontecem tão rápido que precisamos de pulsos de raios X ainda mais curtos para resolver completamente a dinâmica dos elétrons”, diz Andreas Scherz, cientista chefe do instrumento SCS. “Recentemente, o XFEL europeu demonstrou a capacidade de gerar pulsos de attosegundo, abrindo assim uma porta para a chamada física de attosegundo.”

Com pulsos de raios X de attossegundos, seria possível “filmar” com precisão o movimento dos elétrons durante a formação de matéria densa e quente ou durante reações químicas e, assim, melhorar significativamente nossa compreensão, por exemplo, de processos químicos ou do funcionamento de catalisadores.

Os Prêmios Nobel de Física de 2023 concedidos à física franco-sueca Anne L’Huillier, ao físico húngaro-austríaco Ferenc Krausz e ao físico franco-americano Pierre Agostini mostram que este é um assunto de pesquisa extremamente atual.