Pesquisadores constroem acelerador de partículas que cabe em um chip



Essa imagem, ampliada 25.000 vezes, mostra uma seção do protótipo de acelerador de partículas em um chip

Pesquisadores da Universidade de Stanford (EUA) construíram um acelerador de partículas que cabe dentro de um mero chip de silício.

O dispositivo usa laser infravermelho para acelerar os elétrons, embora faça isso a apenas uma fração da velocidade de um acelerador de partículas muito maior – como o instrumento de quase 3,2 quilômetros de comprimento do Centro de Aceleração Linear de Stanford (SLAC).

Tecnologia

O novo chip emite pulsos de luz infravermelha através de silício capazes de acertar elétrons no momento e ângulo certos a fim de acelerá-los.

Em um acelerador de partículas tradicional, como o SLAC, rajadas de microondas são utilizadas para fornecer a maior aceleração possível. Só que, no seu pico de energia, elas medem 10 centímetros, enquanto a luz infravermelha tem um comprimento de onda de um décimo da largura de um cabelo humano.

É por esse motivo que a luz infravermelha pode acelerar elétrons a distâncias bem mais curtas com recursos físicos 100.000 vezes menores.


Só que esse tamanho minúsculo, na prática, exige uma nova abordagem de engenharia baseada em fotônica e litografia integradas em silício.

Cientistas criam acelerador de partículas do tamanho de um grão de arroz
Engenharia reversa
Os cientistas precisaram utilizar engenheira reversa para criar tal chip. Eles desenvolveram um algoritmo para descobrir quanta energia luminosa queriam que o chip fornecesse e como construir as estruturas em nanoescala necessárias para colocar os fótons em contato adequado com o fluxo de elétrons.

O algoritmo sugeriu um layout que provavelmente não seria imaginado tão facilmente pelos pesquisadores – canais em nanoescala gravados em silício selado a vácuo pelos quais elétrons fluem em locais estratégicos.
Cada vez que o laser pulsa – o que ocorre 100.000 vezes por segundo -, uma explosão de fótons atinge um monte de elétrons, acelerando-os para a frente.


Inovação


Por enquanto, o “chip acelerador” é somente um protótipo, mas os pesquisadores afirmam que a tecnologia pode ser ampliada para fornecer aceleração o suficiente para realizar experimentos inovadores em vários campos da química, da biologia e da ciência dos materiais.

“Os maiores aceleradores são como telescópios poderosos. Existem poucos no mundo e os cientistas precisam vir a lugares como o SLAC para usá-los. Queremos miniaturizar a tecnologia de uma maneira que a torne uma ferramenta de pesquisa mais acessível”, disse uma das principais autoras do novo estudo, a engenheira eletricista Jelena Vuckovic.

Além disso, tal chip pode ter diversas aplicações práticas importantes. Por exemplo, o pequeno acelerador pode ser utilizado em terapias de radiação contra o câncer. Hoje em dia, as máquinas médicas são enormes, com feixes de radiação igualmente grandes difíceis de serem concentrados nos tumores, o que por sua vez exige que os pacientes utilizem proteção e estejam sujeitos a um potencial maior de danos colaterais.

“Neste artigo, começamos a mostrar como é possível enviar radiação de feixe de elétrons diretamente para um tumor, deixando tecidos saudáveis inalterados”, explicou o físico Robert Byer, outro autor do estudo.

Próximos passos

O objetivo final dos pesquisadores é acelerar elétrons a 94% da velocidade da luz, ou a um milhão de elétrons-volt (1MeV). Esse seria um fluxo potente o suficiente para permitir experimentos científicos e aplicações médicas.

Enquanto o protótipo ainda é mil vezes mais fraco, já possui todas as funções críticas necessárias para criar aceleração integradas no chip, de forma que escalar a tecnologia não deve ser complicado. Os pesquisadores estimam atingir essa meta em um dispositivo de cerca de três centímetros até o final de 2020.

Obviamente, as capacidades desse chip ainda serão bem menores do que as de um acelerador como o SLAC, 30.000 mais potente que 1MeV, mas a equipe crê que existe espaço para dispositivos baseados em luz crescerem muito e desafiarem instrumentos operados por microondas no futuro.

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