Construir aceleradores de partículas de secretária para desbloquear novos domínios de investigação
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Utilizando lasers de alta intensidade, os investigadores deram um passo importante para a miniaturização dos aceleradores de partículas, demonstrando a amplificação do laser de electrões livres em comprimentos de onda ultravioleta extremos (27-50 nm), com um comprimento de aceleração de apenas alguns milímetros. Ao gerar feixes de electrões monoenergéticos de alta qualidade (ou seja, feixes em que todos os electrões têm praticamente a mesma energia), os investigadores alcançaram um marco fundamental para as tecnologias de aceleradores compactos.
Instalação experimental de prova de conceito utilizada para gerar um laser de electrões livres (FEL) de ultravioleta extremo (XUV) impulsionado por um feixe de electrões de aceleração de campo de vigília laser (LWFA). Um impulso laser intenso, gerado pelo sistema laser a montante, é focado num alvo de jato de gás supersónico para produzir um plasma. Os electrões são aprisionados e acelerados pela onda de plasma (ou seja, o wakefield laser) criada no plasma, gerando um feixe de electrões de alta energia. Este feixe de electrões é transportado através de uma linha de transporte para um ondulador a jusante, onde sofre oscilações transversais no campo magnético periódico, gerando o FEL na região XUV.
Tomonao Hosokai
A equipa de investigação liderada pelo Instituto de Investigação Científica e Industrial da Universidade de Osaka (SANKEN), em colaboração com o Instituto Kansai para a Ciência dos Fotões (KPSI), os Institutos Nacionais para a Ciência e Tecnologia Quânticas (QST), o Centro RIKEN SPring-8 (RSC) e a Organização de Investigação do Acelerador de Altas Energias (KEK), utilizou uma técnica designada por aceleração de wakefield laser para criar ondas de plasma que geram campos eléctricos aceleradores extremamente fortes, graças a ondas no interior do plasma que viajam quase à velocidade da luz. Estes potentes campos eléctricos são mais de 1000 vezes mais fortes do que os dos aceleradores convencionais.
"O nosso trabalho introduziu várias melhorias substanciais em relação a técnicas anteriores, permitindo-nos obter uma amplificação laser de electrões livres em comprimentos de onda ultravioleta extremos", afirma o autor principal Zhan Jin. "Utilizámos a modelação de impulsos laser para melhorar a precisão da focagem. Quando combinados com os nossos bicos de gás supersónicos especialmente desenvolvidos, podemos criar frentes de onda mais estáveis, permitindo um controlo preciso da fonte de plasma."
A utilização desta forma de amplificação do laser de electrões livres é essencial para reduzir a distância necessária para acelerar os electrões. Os sistemas convencionais podem exigir centenas de metros, mas os poderosos campos gerados pela aceleração de wakefield a laser podem potencialmente reduzir essa distância para apenas milímetros. Estes resultados mostram que a aceleração por wakefield laser está a aproximar-se do desempenho exigido por aceleradores de electrões práticos e de alta qualidade. Demonstrar isto em comprimentos de onda ultravioleta extremos é um marco importante, mas a equipa de investigação pretende ir ainda mais longe.
"A aceleração de wakefield a laser foi durante muito tempo considerada impraticável, devido à dificuldade de estabilizar o plasma em que se baseia", explica o autor sénior Tomonao Hosokai. "Melhorámos muito a estabilidade e a qualidade dos nossos feixes de electrões, o que nos permitirá miniaturizar drasticamente os futuros aceleradores, abrindo a possibilidade de criar lasers compactos de electrões livres de raios X." Este trabalho mostra que a aceleração por laser wakefield pode ter um desempenho equivalente ao dos aceleradores de electrões de alta energia de alta qualidade.
A demonstração do funcionamento do laser de electrões livres na gama do ultravioleta extremo é um primeiro passo crucial para alargar a tecnologia a comprimentos de onda mais curtos, permitindo, em última análise, a criação de lasers de electrões livres de raios X compactos. Estas fontes de luz excecionalmente potentes geram raios X coerentes 10 mil milhões de vezes mais brilhantes do que o Sol e produzem impulsos ultra-curtos de femtossegundos. A sua utilização está atualmente limitada a grandes instalações, mas a miniaturização destes lasers permitiria a sua utilização em laboratórios convencionais. Atualmente, a aceleração de wakefields por laser é uma das formas mais promissoras de o conseguir. O trabalho realizado pela equipa de investigação para estabilizar o plasma de que estes aceleradores dependem é um passo essencial para atingir este objetivo.
O desenvolvimento de aceleradores compactos e de lasers de electrões livres de raios X permitirá avanços em áreas como as ciências da vida, a ciência dos materiais, o desenvolvimento de semicondutores e a ciência quântica. A construção de aceleradores de dimensões compactas permitiria aos pequenos laboratórios realizar investigação que atualmente requer instalações de aceleração em grande escala.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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