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Pulsos de luz extremamente intensos gerados por lasers de elétrons livres (FELs) são ferramentas versáteis em pesquisa. Particularmente na faixa de raios X, eles podem ser implantados para analisar os detalhes das estruturas atômicas de uma ampla variedade de materiais e seguir processos ultrarrápidos fundamentais com grande precisão. Até agora, FELs como o XFEL europeu na Alemanha são baseados em aceleradores de elétrons convencionais, o que os torna longos e caros. Uma equipe internacional liderada por Synchrotron SOLEIL, França, e Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Alemanha, alcançou um avanço no caminho para uma solução alternativa acessível: eles foram capazes de demonstrar o laser FEL semeado no regime ultravioleta baseado em uma tecnologia ainda jovem – aceleração de laser-plasma. No futuro, isso pode permitir a construção de sistemas mais compactos, o que ampliaria consideravelmente as possíveis aplicações dos FELs. A colaboração de pesquisa apresenta seus resultados na revista Fotônica da Natureza.
Os lasers de elétrons livres de raios-X estão entre as máquinas de pesquisa mais poderosas e também as mais complexas do mundo. O princípio: com a ajuda de fortes ondas de radiofrequência, um acelerador aproxima os elétrons da velocidade da luz. Em seguida, as partículas, agrupadas em grupos, voam através do “ondulador” – um arranjo de ímãs com campos alternados periodicamente que força os grupos de elétrons a caminhos de slalom. Isso faz com que os cachos se reorganizem em muitos grupos menores de elétrons – micro-grupos, que juntos emitem pulsos de luz extremamente poderosos, semelhantes a laser. Estes podem então ser usados para decifrar propriedades previamente desconhecidas de materiais ou para rastrear processos extremamente rápidos, como reações químicas que ocorrem em quadrilionésimos de segundo.
No entanto, o XFEL europeu de bilhões de dólares e outras infraestruturas semelhantes têm uma desvantagem: “Eles têm várias centenas de metros ou até alguns quilômetros de comprimento”, disse o professor Ulrich Schramm, diretor do Instituto HZDR de Física da Radiação. “É por isso que estamos trabalhando em uma tecnologia alternativa para tornar tais instalações menores e mais econômicas, e então elas poderão estar mais próximas dos usuários em universidades e indústrias no futuro.” A base é uma nova tecnologia de acelerador ainda em desenvolvimento – aceleração laser-plasma.
“Usando um laser de alta potência, disparamos flashes de luz curtos e ultrafortes em um plasma, que é um gás ionizado de elétrons carregados negativamente e íons carregados positivamente”, explicou o físico do HZDR Dr. Arie Irman. “No plasma, o pulso de luz gera uma forte onda de campos elétricos alternados, semelhante ao rastro de um navio”. Essa onda pode acelerar rapidamente os elétrons a uma velocidade mais alta em uma distância muito curta. Em princípio, isso poderia encolher um acelerador que agora tem cem metros de comprimento para muito menos de um metro.
Trabalho em equipe bem-sucedido
Em princípio, os elétrons são acelerados há muito tempo usando essa técnica. Mas apenas recentemente, embora ainda em um estágio inicial, foi possível enviar tais feixes de partículas rápidas de um acelerador de plasma através de um ondulador e depois convertê-los em flashes de luz laser. A fim de gerar uma luz laser FEL bem controlável, impulsionada pela aceleração de plasma pela primeira vez, o HZDR se uniu a especialistas do síncrotron francês SOLEIL.
“Um acelerador de plasma instalado em Dresden, impulsionado pelo laser de alta potência DRACO, forneceu feixes de elétrons rápidos de alta qualidade de feixe”, descreveu a física do SOLEIL, Dra. Marie-Emmanuelle Couprie. “Por trás dele, construímos um ondulador junto com a linha de luz do acelerador associado, que já havia sido otimizado para métodos de transporte de feixe de elétrons, geração de radiação do ondulador, geração e modelagem de sementes, incluindo problemas de sobreposição e metodologias ao longo de vários anos no acelerador de plasma francês. laboratório Laboratoire d’Optique Appliquée em Palaiseau juntamente com PhLAM em Lille.”
Para gerar flashes de laser FEL no regime ultravioleta (UV), os pesquisadores tiveram que resolver vários problemas essenciais. “Tivemos que produzir feixes de partículas que continham grandes quantidades de elétrons”, explicou Irman. “Ao mesmo tempo, era importante que esses elétrons possuíssem as energias mais iguais possíveis.”
Para evitar que os feixes de elétrons divergissem muito rapidamente, um truque refinado foi usado: a chamada lente de plasma. Além disso, a equipe implantou um método chamado “seeding”: de forma sincronizada com os feixes de elétrons, eles dispararam pulsos externos de luz laser no ondulador, o que é crucial para acelerar o processo FEL e permitiu uma melhor qualidade do feixe dos flashes de laser FEL .
Avanço para a tecnologia laser
Com essa configuração, a equipe finalmente conseguiu atingir seu objetivo: como esperado, a demonstração do FEL acionado por plasma gerou flashes de laser UV ultracurtos. “Por 15 anos, as pessoas na comunidade de física avançada de aceleradores sonham em realizar um laser de elétrons livres como este”, disse Ulrich Schramm entusiasmado. “Você pode imaginar como estamos felizes por termos conseguido isso em Dresden.” Também para Arie Irman, um sonho se tornou realidade: “Um laser de elétrons livres acionado por plasma sempre foi considerado um dos marcos mais importantes em nosso campo. Por meio de nosso experimento, alcançamos um enorme progresso.”
Antes que um FEL baseado em plasma possa ser colocado em prática, ainda há vários desafios a serem superados. Por exemplo, enquanto a configuração em Dresden foi capaz de gerar pulsos UV, a pesquisa requer flashes de raios X de alta intensidade – para os quais os elétrons teriam que ser acelerados para energias muito mais altas.
“Isso já foi demonstrado em princípio com a aceleração do plasma, mas até agora a qualidade dos feixes de elétrons ainda é muito ruim e muito instável para um FEL de raios-X”, disse Schramm. “Mas com uma nova geração de lasers de alta potência, esperamos resolver esse problema.” Se o empreendimento for bem-sucedido, os lasers de elétrons livres poderão caber no porão do instituto no futuro – e, portanto, poderão estar disponíveis para um número significativamente maior de equipes de pesquisa do que hoje.
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