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Feixes de elétrons gelados simulados em pesquisas na Universidade de Strathclyde podem abrir caminho para reduzir os lasers de elétrons livres de raios X (X-FELs) a uma fração de seu tamanho atual.
Os X-FELs convertem a energia cinética de um feixe de elétrons em poderosos pulsos de fótons, até comprimentos de onda de raios-X rígidos, e são freqüentemente chamados de ‘motores de descoberta’. Os X-FELs são usados para criar condições extremas de matéria para pesquisa de matéria quente e densa, para estudar propriedades de materiais para microchips de próxima geração, para resolver a estrutura de biomoléculas complexas para novos medicamentos e muitas outras aplicações.
No coração dos FELs estão feixes de elétrons oscilando em um caminho dentro de um dispositivo, conhecido como ondulador, com um campo magnético alternado. Como resultado do movimento oscilante, o feixe de elétrons emite rajadas de fótons e um efeito de feedback positivo estrutura o feixe de elétrons em microconjuntos no comprimento de onda da radiação. Consequentemente, a potência da radiação cresce exponencialmente ao longo do ondulador e torna-se altamente coerente.
Este efeito de auto-organização pode ocorrer apenas se o feixe de elétrons for de alta qualidade em energias relativísticas. No entanto, para atender aos rigorosos requisitos de qualidade do feixe de elétrons, os X-FELs de última geração são máquinas finamente ajustadas em escala de quilômetros, custando até um bilhão de libras. Consequentemente, existem apenas algumas instalações X-FEL em todo o mundo, sem nenhuma no Reino Unido até agora.
A pesquisa de Strathclyde mostra, com simulações de ponta a ponta de alta fidelidade, que um Acelerador de Plasma Wakefield (PWFA), equipado com um método avançado de injeção eletrônica de “cavalo de Tróia” chamado fotocátodo de plasma, pode produzir feixes de elétrons 100.000 vezes mais brilhantes que os da arte. Isso ocorre devido à distribuição de propagação de baixo momento, produzindo feixes de elétrons extremamente frios.
O PWFA também possui um campo elétrico acelerador, com capacidade de dezenas a centenas de gigavolts por metro, o que possibilita a realização do acelerador em escala centimétrica, comparada com a escala de quilômetros dos aceleradores tradicionais.
O estudo explora como extrair, transportar, isolar e injetar os feixes de elétrons ultrabrilhantes e gelados do fotocátodo de plasma PWFA em um ondulador sem perda de carga e qualidade; eles permanecem frios e não ‘derretem’. Focado em um ondulador, o feixe de elétrons de altíssima qualidade produz pulsos de fótons poderosos e coerentes, semelhantes a laser, com durações de pulso no regime de attossegundos (1 × 10−18 de segundo). Além da extrema qualidade dos pulsos de elétrons e fótons resultantes, todo o sistema pode ter uma pegada espacial de apenas algumas dezenas de metros, em contraste com as máquinas X-FEL de última geração com quilômetros de tamanho.
Os cientistas que trabalham no estudo acreditam que os três marcos alcançados no estudo podem ser uma porta de entrada para a próxima geração de X-FELs ultracompactos. O estudo foi publicado na revista Natureza Comunicações e faz parte do projeto nacional UK X-FEL.
Fahim Habib, pesquisador associado do Departamento de Física de Strathclyde e principal pesquisador de pós-doutorado do estudo, disse: “As perspectivas de plasma-X-FELs ultracompactos com base neste esquema são incompreensíveis. Nossos resultados são importantes primeiros marcos , mas muito mais trabalho está à nossa frente para a realização experimental da abordagem.”
O professor Bernhard Hidding, da Strathclyde, que lidera o projeto, disse: “A primeira evidência experimental para a injeção de fotocátodo de plasma em PWFA foi obtida em nossa colaboração com o Cavalo de Tróia na instalação SLAC FACET de nosso parceiro estratégico de Stanford. Agora, com nosso programa na instalação sucessora SLAC FACET-II, pretendemos explorar o verdadeiro potencial do esquema em termos de qualidade e estabilidade do feixe.”
O Dr. Brian McNeil, um Leitor do Departamento de Física, disse: “O brilho é o principal parâmetro de desempenho para o laser de elétrons livres. Se feixes de elétrons tão brilhantes e curtos quanto mostrados em nosso estudo computacional pudessem ser obtidos a partir de plasmas, isso poderia ter um enorme impacto na ciência dos fótons.”
O professor Hidding trabalha em um projeto paralelo, financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa, chamado NeXource: fontes de feixe de elétrons baseadas em plasma de última geração para ciência de fótons de alto brilho.
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