“No Futuro Próximo, Mini Aceleradores de Partículas Poderão Ser Realidade”

Duas equipes de físicos construíram estruturas minúsculas que aceleram os elétrons e os mantêm confinados em um feixe manejável, em vez de expeli-los à toa. Essa é a primeira vez para esses miniaceleradores e um passo crucial para tornar esses dispositivos mais úteis e difundidos.

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"No Futuro Próximo, Mini Aceleradores de Partículas Poderão Ser Realidade"

“Um dos principais problemas dos aceleradores de partículas… é que são demasiado grandes e demasiado caros”, diz o físico Jared Maxson, da Universidade Cornell, que não esteve envolvido na nova investigação. Miniaturizar os dispositivos significa que os cientistas poderiam produzir elétrons de alta energia em uma mesa, diz Maxson. Isso poderia abrir novas possibilidades para a medicina e a ciência.

Construídos em chips de silício, os aceleradores são compostos por duas fileiras de pilares com cerca de 2 micrômetros de altura, lembrando fileiras de arranha-céus em miniatura. Quando atingida pela luz laser, a estrutura do pilar gera campos electromagnéticos que empurram as partículas subatómicas cada vez mais rápido ao longo de um beco extremamente estreito entre os pilares, com menos de um micrómetro de largura.

Os elétrons em um dispositivo ganharam 12,3 quiloelétron-volts de energia a uma distância de meio milímetro, um aumento de 43% que levou as partículas a 40,7 quiloelétron-volts, relataram o físico Peter Hommelhoff e colegas em 18 de outubro na Nature .

Entretanto, lacunas cuidadosamente colocadas entre os pilares ajudam a manter o feixe de electrões em foco, imitando as capacidades de aceleradores maiores. “Este é realmente o primeiro acelerador baseado em nano fotónica que contém todos os recursos que qualquer acelerador moderno contém”, diz Hommelhoff, da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha.

O físico Robert Byer, da Universidade de Stanford, e seus colegas relataram uma conquista semelhante em 3 de outubro em arXiv.org, com ganhos de energia de até 23,7 quiloelétrons-volts . Os dois grupos fazem parte de uma colaboração maior chamada Programa Internacional Accelerator on a Chip, ou ACHIP, que unifica esforços para construir esses pequenos aceleradores.

O acelerador de partículas mais poderoso do mundo é o Grande Colisor de Hádrons, ou LHC, perto de Genebra, com um anel com impressionantes 27 quilômetros de diâmetro. Os prótons no LHC atingem energias de trilhões de elétron-volts. Os novos minúsculos aceleradores, com meros milhares de elétron-volts, não criarão bósons de Higgs tão cedo – a famosa partícula encontrada no LHC em 2012 ( SN: 29/06/22 ). Mas esses dispositivos têm seu próprio conjunto de aplicações potenciais.

Por exemplo, os elétrons de alta energia podem tratar o câncer de pele, danificando o DNA das células cancerígenas, matando-as. Mas a geração de elétrons energéticos requer actualmente uma sala cheia de máquinas volumosas. Com um acelerador em um chip, a terapia por feixe de elétrons poderia se tornar mais acessível.

E tratamentos semelhantes podem ir além da superfície. “O sonho é poder ter uma fibra que possa entrar no corpo humano para fazer um tratamento de radiação local… porque todo o acelerador pode caber dentro de você”, diz Pietro Musumeci, da UCLA, que é membro da ACHIP, mas não era envolvidos com os novos resultados.

Outra aplicação poderia envolver o uso dos dispositivos para criar estados especiais de luz que poderiam ser úteis para a computação quântica. Ou os aceleradores podem ser úteis para pesquisa de materiais, por exemplo, para fazer imagens de materiais finos com resolução de tempo ultra-alta.

Mas os aceleradores ainda têm um longo caminho a percorrer. Os elétrons emergem dos dispositivos a uma taxa muitas ordens de magnitude inferior à dos aceleradores convencionais. E embora os dispositivos foquem o feixe em duas dimensões (na direção do feixe e perpendicularmente a ele horizontalmente), é necessário mais trabalho para focar o feixe verticalmente.

Os ganhos de energia dos dispositivos também precisam ser ampliados. A energia que os elétrons acumulam ao longo de uma determinada distância de aceleração é comparável à dos aceleradores convencionais, dezenas de milhões de elétron-volts por metro. Mas os cientistas querem superar em muito esses aceleradores com bilhões de elétron-volts por metro.

Mesmo assim, a obra demonstra técnicas que antes pareciam absurdas de serem tentadas. No início, quando Byer descrevia a ideia aos colegas, “todos caíam na gargalhada”, diz ele. “Não ouvimos mais risadas; agora somos apreciados.”

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