Dispositivo de cristal pode ser usado para construir pequenos aceleradores de partículas

Um dispositivo do tamanho de um chip pode produzir luz muito intensa que poderia ajudar na construção de pequenas máquinas de raios X e aceleradores de partículas

Por Karmela Padavic-Callaghan

4 de janeiro de 2023

Uma ilustração de cristais fotônicos, materiais que podem capturar e direcionar a luz

J. Joannopoulous/BIBLIOTECA DE FOTOS CIENTÍFICAS

Um dispositivo de tamanho micrométrico que produz luz disparando um feixe de elétrons sobre uma placa de cristal poderia ser usado para construir pequenos aceleradores de partículas e máquinas de raios X. Esses dispositivos do tamanho de um chip poderiam ser fabricados de forma mais rápida, barata e compacta do que os atuais aceleradores de partículas.

Construído por Yi Yang, da Universidade de Hong Kong, e seus colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, o novo dispositivo consiste em uma peça especial de silício chamada cristal fotônico, um microscópio eletrônico de varredura modificado que dispara um feixe de elétrons sobre ele e um dispositivo que detecta a luz emitida. A configuração aproveita os campos eletromagnéticos que cercam os elétrons à medida que eles se movem, o que pode fazer com que partículas carregadas dentro de um material próximo – neste caso, o cristal fotônico – fiquem excitadas e emitam luz.

A partir de modelos matemáticos, os pesquisadores sabiam que poderiam melhorar as interações entre o cristal e os elétrons adicionando um padrão ao primeiro, então gravaram nele uma grade de recortes circulares, cada um com cerca de 100 nanômetros de largura. A luz e os elétrons normalmente não interagem muito, mas a engenharia da energia e do momento da luz para corresponder aos dos elétrons permite interações incomumente grandes entre os dois. Este método de correspondência poderia eventualmente aumentar as emissões de luz em até um milhão de vezes, diz Yang.

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Essa luz tem muitos usos potenciais, desde a espectroscopia, na qual a luz ajuda os cientistas a aprender sobre a estrutura interna de diferentes materiais, até a comunicação baseada na luz.

Notavelmente, pode ser usado para fabricar pequenos aceleradores de partículas, diz Peter Hommelhoff, da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha. Os pesquisadores poderiam usar pulsos de luz intensos para acelerar as partículas em vez de atingi-las com microondas, como é mais comum, diz ele.

Thomas Krauss, da Universidade de York, no Reino Unido, diz que o novo dispositivo pode não ser apenas um passo em direção a pequenos aceleradores de partículas, mas também em direção a máquinas de raios X menores. Os raios X são essencialmente ondas de luz com comprimentos de onda muito curtos para serem vistos. Ao adaptar o padrão de silício e a velocidade dos elétrons no dispositivo, pode ser possível alterar o comprimento de onda da luz emitida em raios X.

“Quando você faz um raio-X no seu médico, é uma máquina enorme. Agora podemos imaginar fazer isso com uma pequena fonte de luz, em um chip”, diz ele. Isso poderia tornar a tecnologia de raios X mais acessível para instalações médicas pequenas ou remotas ou torná-la portátil para uso por socorristas em caso de acidente.

Natureza DOI: 10.1038/s41586-022-05387-5

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