Micro-Acelerador de Partículas

Menor acelerador de partículas do mundo tem tamanho de um grão de poeira
Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/10/2023


O microchip contendo o acelerador de partículas, colocado sobre uma moeda de 1 centavo.
[Imagem: FAU/Laser Physics/Stefanie Kraus/Julian Litzel]

Miniacelerador de partícula

Há mais de uma década que os pesquisadores vêm tentando miniaturizar os aceleradores de partículas, tipicamente usando raios laser para acelerar os elétrons.

As vantagens são enormes, uma vez que os aceleradores de partículas são ferramentas cruciais em uma ampla variedade de áreas da indústria, do setor médico e das pesquisas científicas. Acontece que, hoje, o espaço que essas máquinas exigem varia de alguns metros quadrados até grandes centros de pesquisa do tamanho de um quarteirão, ou até maiores, o que significa custos elevadíssimos.

Tomás Chlouba e colegas da Universidade Friedrich-Alexander, na Alemanha, conseguiram agora construir um acelerador de partículas de pleno direito, com aceleração real dos elétrons, e totalmente integrado, com todas as etapas necessárias à aceleração contidas dentro de um chip.

O microacelerador mede 500 micrômetros de comprimento (0,5 milímetro) e 225 nanômetros de largura - para comparação, o acelerador LHC, na Europa, tem 27 km de comprimento. Ele conseguiu acelerar elétrons, de uma energia inicial de 28,4 quiloelétron-volts (keV), para até 40,7 keV. "Nós ganhamos uma energia de 12 quiloelétrons-volts. Isso representa um ganho de 43% em energia," ressaltou o professor Leon Brückner.

Esses aceleradores dentro de chips permitem sonhar com aplicações totalmente inusitadas e impensáveis hoje. "A aplicação dos sonhos seria colocar um acelerador de partículas em um endoscópio para poder administrar radioterapia diretamente na área afetada do corpo," exemplifica o professor Chlouba, referindo-se aos tratamentos contra o câncer.


As ranhuras devem ser precisamente desenhadas para se obter o ganho de energia dos elétrons.
[Imagem: Tomás Chlouba et al. - 10.1038/s41586-023-06602-7]

Acelerador de partículas a laser

Para acelerar as partículas em distâncias tão curtas, a equipe combinou duas técnicas. A primeira é chamada focalização de fase alternada, em que um laser é usado para guiar os elétrons ao longo do acelerador e injetar-lhes energia. A segunda é um sistema de nanoestruturas geométricas em forma de pilar, que focalizam e "soltam" as ondas eletrônicas repetidamente. Estruturas desse tipo já são largamente utilizadas em fotônica, mas a equipe precisou projetar estruturas especiais para obter um ganho real de aceleração.

A equipe afirma que esta primeira demonstração de ganho real de aceleração em um acelerador miniaturizado é apenas o começo. Agora o objetivo será aumentar o ganho de energia e corrente dos elétrons a tal ponto que o acelerador de partículas em um chip seja suficiente para aplicações em medicina.

Para isso, o ganho de energia terá 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", antecipa Chlouba.

Bibliografia:

Artigo: Coherent nanophotonic electron accelerator
Autores: Tomás Chlouba, Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner, Julian Litzel, Peter Hommelhoff
Revista: Nature
Vol.: 622, pages 476--480
DOI: 10.1038/s41586-023-06602-7

Comentários

Os modernos microchips ultrapassaram em milhares de vezes a velocidade dos computadores de primeira geração. Será que o mesmo acontecerá com os micro-aceleradores por LASERs, de modo a transformar os atuais colisores, baseados em microondas, em elefantes brancos   ?

Ainda o teremos dentro de nossos celulares, pra obter os benefícios da Positriônica entre outras coisas

Mais um... mais um!

Miniacelerador de partículas faz em 10cm o que os atuais exigem 3km
Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2023


Em cima: Ilustração dos elétrons "surfando" no interior da câmara principal do miniacelerador de partículas.
Embaixo: Diagrama do miniacelerador, contendo uma célula de gás, um ímã dipolo e duas telas cintilantes (DRZ1 e DRZ2). Toda a configuração é colocada dentro de câmaras de vácuo. Os feixes de laser e elétrons se propagam da direita para a esquerda.
[Imagem: Constantin Aniculaesei et al. - 10.1063/5.0161687/TAU Systems]

Miniacelerador de partículas

Os aceleradores de partículas são essenciais para o estudo e desenvolvimento de semicondutores e novos materiais, além de gerarem imagens médicas, aplicarem terapias e terem potencial para inúmeras outras aplicações em energia e medicina.

O inconveniente é que os aceleradores são gigantescos, ocupando instalações medidas em quilômetros, o que os torna caros e limitam a sua presença a alguns poucos laboratórios e universidades.

A boa notícia é que os miniaceleradores de partículas estão fazendo progressos a olhos vistos: Uma equipe da Europa e dos EUA acaba de apresentar um miniacelerador de apenas alguns centímetros que atinge uma energia de 10 GeV (bilhões de elétron-volts).

Existem apenas dois outros aceleradores operando atualmente nos EUA que conseguem atingir energias tão altas, mas ambos têm aproximadamente 3 quilômetros de comprimento.

"Nós agora podemos atingir essas energias em 10 centímetros," disse Bjorn Hegelich, da Universidade do Texas de Austin, referindo-se ao tamanho da câmara onde o feixe é produzido e acelerado - a instalação inteira mede cerca de 20 metros de comprimento.



Em cima: O coração do miniacelerador sendo configurado em cima de uma mesa óptica.
Embaixo: A célula de gás, o componente chave do acelerador laser compacto de campo de arrasto.
[Imagem: Bjorn Manuel Hegelich/TAU Systems]
Acelerador laser de campo elétrico oscilante

O nome técnico do novo dispositivo é acelerador laser de campo elétrico oscilante avançado. O conceito de aceleradores laser de de campo elétrico oscilante - ou campo de arrasto - é conhecido há mais de 40 anos, mas vem sendo aprimorado desde então.

Seu princípio básico envolve um laser dirigido para uma câmara contendo gás hélio, que é aquecido pelo laser até produzir um plasma. Isso cria ondas que expulsam elétrons do gás, gerando um feixe de elétrons de alta energia. O laser funciona como um barco deslizando sobre um lago, deixando para trás um rastro - o tal campo de arrasto - e os elétrons navegam nessa onda de plasma como se fossem surfistas.

A equipe já está explorando o uso do miniacelerador para uma variedade de propósitos, incluindo testar até que ponto a eletrônica espacial pode suportar a radiação e para obter imagens das estruturas internas em 3D de novos projetos de chips semicondutores. Aplicações futuras envolvem até mesmo o desenvolvimento de novas terapias contra o câncer e técnicas avançadas de imagens médicas.

Esse tipo de acelerador também pode ser usado para acionar outro dispositivo, chamado laser de elétrons livres de raios X, que permite gravar filmes em câmera lenta de processos em escala atômica ou molecular. Exemplos desses processos incluem interações entre os medicamentos e as células, reações dentro das baterias que podem causar incêndios, reações químicas dentro de painéis solares e proteínas virais que mudam de forma ao infectar as células.

Bibliografia:

Artigo: he acceleration of a high-charge electron bunch to 10 GeV in a 10-cm nanoparticle-assisted wakefield accelerator
Autores: Constantin Aniculaesei, Thanh Ha, Samuel Yoffe, Lance Labun, Stephen Milton, Edward McCary, Michael M. Spinks, Hernan J. Quevedo, Ou Z. Labun, Ritwik Sain, Andrea Hannasch, Rafal Zgadzaj, Isabella Pagano, Jose A. Franco-Altamirano, Martin L. Ringuette, Erhart Gaul, Scott V. Luedtke, Ganesh Tiwari, Bernhard Ersfeld, Enrico Brunetti, Hartmut Ruhl, Todd Ditmire, Sandra Bruce, Michael E. Donovan, Michael C. Downer, Dino A. Jaroszynski, Bjorn Manuel Hegelich
Revista: Matter and Radiation at Extremes
Vol.: 9, 01400
DOI: 10.1063/5.0161687

Fonte:
https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=miniacelerador-particulas-faz-10cm-atuais-fazem-3km&id=010115231129&ebol=sim

Comentários

Futuro dos aceleradores convencionais:



[ELEFANTE BRANCO]. In: DICIO, Dicionário Online de Português. Porto: 7Graus, 2018. Disponível em: [https://www.dicio.com.br/elefante-branco/]. Acesso em: 28/02/2019.

“Expressão utilizada para se referir a algo que custou muito dinheiro ou esforço, mas que tem pouca ou nenhuma utilidade prática.”

fonte:
https://www.linkedin.com/pulse/quem-nunca-ouviu-falar-em-elefante-branco-romulo-macedo/?originalSubdomain=pt

Os mini-aceleradores de partículas vão resgatar um importante princípio de método científico:



Permitir que um experimento possa ser replicado em qualquer parte do mundo !