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Um novo avanço nos Estados Unidos promete transformar os enormes e complexos lasers de raios X em equipamentos muito menores. Cientistas conseguiram acelerar elétrons 1.000 vezes mais rápido do que o normal, usando uma técnica inovadora que pode levar essa tecnologia a laboratórios e centros de pesquisa ao redor do mundo.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos Estados Unidos, conseguiram demonstrar um novo método para geração de feixes de elétrons. Esse processo é essencial para o funcionamento de lasers de raios X. O mais importante é que a técnica reduz drasticamente o tamanho dos equipamentos.
O trabalho usa aceleradores de plasma a laser compactos, chamados LPAs. Esses dispositivos conseguem acelerar elétrons com um ganho de até 1.000 vezes em relação aos aceleradores convencionais.
Isso significa que uma estrutura que antes precisava de quilômetros, agora pode caber em poucos metros.
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Além disso, o novo método mostrou um crescimento exponencial da radiação. Isso é fundamental para que os chamados lasers de elétrons livres (XFELs) funcionem corretamente.
Mais potência em menos espaço
Os XFELs são ferramentas valiosas na ciência. Eles permitem que os pesquisadores investiguem a estrutura da matéria em níveis atômicos.
São usados em áreas como biologia, física, medicina e engenharia de materiais.
O problema sempre foi o tamanho. Esses equipamentos gigantes só existem em alguns lugares do mundo, por causa do custo e da necessidade de grandes espaços.
Portanto, a nova abordagem do Berkeley Lab pode mudar esse cenário. Usando o Centro de Aceleração a Laser (BELLA), os cientistas criaram um feixe de elétrons de alta qualidade usando apenas um feixe de laser.
Esse laser gera ondas de densidade dentro de um plasma, acelerando os elétrons sem a necessidade de estruturas tradicionais baseadas em radiofrequência.
“Estamos aplicando nossa longa experiência com aceleradores de plasma para encolher os XFELs”, explicou o pesquisador Sam Barber, primeiro autor do estudo.
Resultados consistentes em várias campanhas
A confiabilidade foi outro destaque do estudo. Segundo Barber, os testes mostraram resultados positivos em dezenas de campanhas experimentais. Isso demonstra que a técnica é robusta e repetível.
Os LPAs utilizados alcançaram gradientes de aceleração de até 100 gigavolts por metro. Para comparação, os aceleradores convencionais chegam a apenas 50 megavolts por metro. Essa diferença permite que os elétrons ganhem velocidade muito mais rápido, reduzindo drasticamente o tamanho dos equipamentos necessários.
“É um grande resultado”, afirmou Barber. “O ganho de FEL de duas a três ordens de magnitude mostra que estamos no caminho certo.”
Parceria com setor privado e novos usos
A pesquisa teve apoio da empresa TAU Systems Inc., que ajudou a conectar os feixes gerados no plasma aos onduladores magnéticos. Esses onduladores são os dispositivos que geram os próprios raios X.
Para Stephen Milton, cientista-chefe da TAU Systems, o projeto representa uma mudança de paradigma. “Esses resultados do FEL confirmam a premissa de que o LPA abriu uma mudança revolucionária na forma como vemos os aceleradores”, comentou.
Além de permitir novas instalações compactas, essa tecnologia também pode ser usada para melhorar os XFELs já existentes.
O mais importante é que ela pode aumentar o desempenho dos sistemas atuais com o acréscimo de feixes de elétrons mais potentes.
Aplicações promissoras em várias áreas
Com a possibilidade de reduzir o tamanho e o custo, os XFELs compactos podem ser usados em locais que antes não tinham acesso a essa tecnologia. Isso inclui o uso direto em laboratórios universitários, centros de pesquisa e até instalações médicas.
As aplicações incluem a análise de proteínas complexas na biologia, o estudo de nanoestruturas em novos materiais e até a produção de chips semicondutores com mais precisão.
Carl Schroeder, cientista do BELLA Center, acredita que o avanço vai além da aplicação atual. “O desenvolvimento de lasers de elétrons livres baseados em LPA é um trampolim para outras aplicações, como aceleradores lineares para física de alta energia”, afirmou.
Portanto, o projeto do Berkeley Lab não só encurta distâncias físicas, como abre caminhos para novas descobertas científicas em diversas áreas.
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