Equipa de investigação abre caminho para lasers de eletrões livres compactos e económicos
O FEL a laser-plasma poderá resolver o estrangulamento nos tempos de medição na investigação
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Os flashes de luz extremamente curtos e intensos são muito procurados para a investigação de átomos, moléculas e novos materiais. Os lasers de eletrões livres (FEL) produzem esses flashes. No entanto, em todo o mundo, o tempo de feixe disponível nas grandes instalações abertas ao público é escasso e os tempos de espera são longos. Investigadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e do Sincrotrão SOLEIL, perto de Paris, deram um passo crucial neste sentido: pela primeira vez, conseguiram operar um FEL de plasma a laser de forma estável e reproduzível no chamado regime de alto ganho – um estado de funcionamento com uma amplificação particularmente elevada da radiação gerada.
No ondulador, o feixe de eletrões proveniente de um acelerador compacto de plasma a laser interage com um impulso de laser. Esta interação intensifica a radiação FEL gerada e permite obter impulsos com energias mais elevadas.
HZDR/Blaurock
«A estabilidade — ou seja, flashes de luz que mantêm constantemente uma elevada qualidade ao longo de horas ou mesmo dias — é extremamente importante para todas as experiências que envolvam um FEL», afirma o Dr. Arie Irman, do Instituto de Física da Radiação do HZDR. As instalações convencionais de grande escala já alcançaram esta estabilidade há muito tempo, mas não o FEL de plasma a laser. Agora, após anos de investigação, a equipa de Irman conseguiu resolver este problema. Geraram flashes de luz ultravioleta com um comprimento de onda de 272 nanómetros e elevada energia de pulso. A potência do FEL apresentou o crescimento exponencial característico do regime de alto ganho. «Este é um progresso significativo em comparação com os resultados que publicámos em 2023», acrescenta Irman.
A surfar na onda de plasma
Em princípio, um FEL de plasma-laser funciona como um laser de eletrões livres convencional: para os intensos flashes de luz, os investigadores precisam inicialmente de eletrões de alta energia que se deslocam quase à velocidade da luz. Em seguida, estes entram num conjunto de ímanes, conhecido como ondulador, que os obriga a seguir uma trajetória oscilante, o que, por sua vez, os leva a formar minúsculos pacotes que emitem flashes de luz intensos e coerentes.
Até agora, têm sido necessários aceleradores de grande escala para impulsionar os eletrões até à energia necessária, aceleradores que podem atingir cerca de dois quilómetros de comprimento. «Num FEL de plasma a laser, esta distância pode ser reduzida num fator de cerca de mil», afirma a Dra. Marie Labat, do Sincrotrão SOLEIL. «Os eletrões, na prática, surfam numa onda de plasma.» Após apenas alguns milímetros, atingem energias para as quais um acelerador convencional necessita de muitos metros.
A estabilidade é fundamental
A chave para o sucesso residiu no controlo preciso da interação entre o laser e o plasma. Para tal, a equipa utilizou o laser de alto desempenho DRACO do HZDR. Os seus impulsos de infravermelhos geraram o plasma necessário num feixe de gás com a espessura de um milímetro. «Conseguimos ajustar com precisão o laser para se adequar ao plasma», afirma a física do HZDR, Dra. Susanne Schöbel. Isto não foi nada fácil, pois a interação entre o laser e o plasma é determinada por processos não lineares que são difíceis de controlar. «Graças ao feixe de eletrões bem controlado, conseguimos gerar flashes intensos de luz ultravioleta de forma estável e reprodutível utilizando o nosso ondulador.» Uma característica marcante deste fenómeno foi o crescimento exponencial da potência de saída da radiação, que a equipa observou pela primeira vez.
No entanto, este sucesso não marca o fim da história do desenvolvimento. Os investigadores pretendem otimizar ainda mais a interação entre o laser e o plasma, bem como o percurso do ondulador, para aumentar a qualidade dos flashes de luz. «Os flashes de luz neste comprimento de onda ultravioleta são apenas o começo», afirma Irman. O seu próximo objetivo é a luz ultravioleta extrema (EUV). Radiação como esta poderia ser utilizada, por exemplo, para um controlo de qualidade mais eficiente de chips de computador nanoestruturados. Embora certamente demore alguns anos até que os FELs compactos de laser-plasma complementem as instalações de grande escala, já existe muito interesse.
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