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Os aceleradores de partículas são ferramentas cruciais numa ampla variedade de áreas da indústria, da investigação e do setor médico. O espaço que essas máquinas exigem varia de alguns metros quadrados até grandes centros de pesquisa. O uso de lasers para acelerar elétrons dentro de uma nanoestrutura fotônica constitui uma alternativa microscópica com potencial de gerar custos significativamente mais baixos e tornar os dispositivos consideravelmente menos volumosos. Até agora, não foram demonstrados ganhos energéticos substanciais. Em outras palavras, não foi demonstrado que a velocidade dos elétrons realmente aumentou significativamente. Uma equipe de físicos de laser da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) conseguiu agora demonstrar o primeiro acelerador de elétrons nanofotônico – ao mesmo tempo que colegas da Universidade de Stanford. Os pesquisadores da FAU publicaram agora suas descobertas na revista Natureza.
Quando as pessoas ouvem “acelerador de partículas”, a maioria provavelmente pensará no Grande Colisor de Hádrons em Genebra, o túnel em forma de anel com aproximadamente 27 quilômetros de comprimento que pesquisadores de todo o mundo usaram para conduzir pesquisas sobre partículas elementares desconhecidas. Contudo, esses enormes aceleradores de partículas são a exceção. É mais provável que os encontremos noutros locais da nossa vida quotidiana, por exemplo, em procedimentos de imagiologia médica ou durante a radiação para tratar tumores. Mesmo assim, porém, os dispositivos têm vários metros de tamanho e ainda são bastante volumosos, com espaço para melhorias em termos de desempenho. Numa tentativa de melhorar e diminuir o tamanho dos dispositivos existentes, físicos de todo o mundo estão trabalhando na aceleração dielétrica do laser, também conhecida como aceleradores nanofotônicos. As estruturas que eles usam têm apenas 0,5 milímetros de comprimento, e o canal através do qual os elétrons são acelerados tem apenas cerca de 225 nanômetros de largura, tornando esses aceleradores tão pequenos quanto um chip de computador.
As partículas são aceleradas por pulsos de laser ultracurtos que iluminam as nanoestruturas. “A aplicação dos sonhos seria colocar um acelerador de partículas em um endoscópio para poder administrar radioterapia diretamente na área afetada do corpo”, explica o Dr. Tomáš Chlouba, um dos quatro principais autores do artigo publicado recentemente. Este sonho ainda pode estar muito além do alcance da equipe da FAU da Cátedra de Física do Laser liderada pelo Prof. Peter Hommelhoff e composta pelo Dr. eles conseguiram agora dar um passo decisivo na direção certa, demonstrando o acelerador de elétrons nanofotônico. “Pela primeira vez, podemos realmente falar sobre um acelerador de partículas em um chip”, entusiasma-se o Dr. Roy Shiloh.
Elétrons guia + aceleração = acelerador de partículas
Há pouco mais de dois anos, a equipe fez seu primeiro grande avanço: eles conseguiram usar o método de focagem de fase alternada (APF) dos primórdios da teoria da aceleração para controlar o fluxo de elétrons em um canal de vácuo em longas distâncias. Este foi o primeiro grande passo no caminho para a construção de um acelerador de partículas. Agora, tudo o que era necessário para ganhar grandes quantidades de energia era a aceleração. “Usando esta técnica, conseguimos não apenas guiar elétrons, mas também acelerá-los nessas estruturas nanofabricadas ao longo de meio milímetro”, explica Stefanie Kraus. Embora isso possa não parecer uma grande conquista para muitos, é um enorme sucesso para o campo da física dos aceleradores. “Ganhamos energia de 12 quiloelétrons-volts. Isso representa um ganho de 43% em energia”, explica Leon Brückner.
Para acelerar as partículas em distâncias tão grandes (quando vistas na escala nano), os físicos da FAU combinaram o método APF com estruturas geométricas em forma de pilar especialmente desenvolvidas.
Esta demonstração é apenas o começo, no entanto. Agora o objetivo é aumentar o ganho de energia e corrente de elétrons a tal ponto que o acelerador de partículas em um chip seja suficiente para aplicações em medicina. Para que isso acontecesse, o ganho de energia teria que ser aumentado em um fator de aproximadamente 100. “Para conseguir correntes de elétrons mais altas com energias mais altas na saída da estrutura, teremos que expandir as estruturas ou colocar vários canais próximos uns dos outros”, Tomáš Chlouba explica os próximos passos dos físicos do laser da FAU.
Corrida frente a frente entre físicos
O que os físicos do laser de Erlangen conseguiram fazer foi demonstrado quase simultaneamente por colegas da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos: os seus resultados estão atualmente sob revisão, mas podem ser visualizados num repositório. As duas equipes estão trabalhando juntas na realização do “Accelerator on a chip” em um projeto financiado pela Fundação Gordon e Betty Moore. “Em 2015, a equipe ACHIP liderada pela FAU e Stanford teve uma visão para uma abordagem revolucionária para o projeto de aceleradores de partículas”, disse o Dr. Gary Greenburg da Fundação Gordon e Betty Moore, “e estamos muito satisfeitos que nosso apoio tenha ajudado a transformar essa visão em realidade.”
Publicação original de Stanford: P. Broaddus, T. Egenolf, DS Black, M. Murillo, C. Woodahl, Yu Miao, U. Niedermayer, RL Byer, KJ Leedle, O. Solgaard, arXiv:2310.02434
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