Uma nova maneira de produzir luz coerente na região espectral ultravioleta, que aponta o caminho para o desenvolvimento de fontes brilhantes de raios-X de mesa, foi produzida em pesquisas conduzidas na Universidade de Strathclyde.
Os cientistas desenvolveram um tipo de fonte de luz coerente com comprimento de onda ultracurto que não requer a ação do laser para produzir coerência. Fontes de luz baseadas em feixe de elétrons comuns, conhecidas como fontes de luz de quarta geração, são baseadas no laser de elétrons livres (FEL), que usa um ondulador para converter a energia do feixe de elétrons em raios-X.
Fontes de luz coerentes são ferramentas poderosas que permitem a pesquisa em muitas áreas da medicina, biologia, ciências dos materiais, química e física.
Esta nova forma de produzir radiação coerente poderia revolucionar as fontes de luz, pois as tornaria altamente compactas, essencialmente de tamanho de mesa, e capazes de produzir pulsos de luz de duração ultracurta, muito mais curtos do que podem ser produzidos facilmente por qualquer outro meio.
Tornar as fontes de luz ultravioleta e coerente com os raios X mais amplamente disponíveis transformaria a maneira como a ciência é feita; uma universidade poderia ter um dos dispositivos em uma única sala, em cima de uma mesa, por um preço razoável.
O grupo agora está planejando um experimento de prova de princípio na faixa espectral ultravioleta para demonstrar essa nova maneira de produzir luz coerente. Se for bem-sucedido, deve acelerar drasticamente o desenvolvimento de fontes coerentes com comprimentos de onda ainda mais curtos, com base no mesmo princípio. O grupo Strathclyde criou uma instalação para investigar esses tipos de fontes: o Centro Escocês para a Aplicação de Aceleradores Baseados em Plasma (SCAPA), que hospeda um dos lasers de maior potência do Reino Unido.
A nova pesquisa foi publicada na Scientific Reports, uma das revistas da família Nature.
O professor Dino Jaroszynski, do Departamento de Física de Strathclyde, liderou a pesquisa. Ele diz que “este trabalho avança significativamente o estado da arte das fontes síncrotron, propondo um novo método de produção de radiação coerente de comprimento de onda curto, usando um ondulador curto e feixes de elétrons com duração de attossegundo.”
“Este é mais compacto e menos exigente na qualidade do feixe de elétrons do que os lasers de elétrons livres e poderia fornecer uma mudança de paradigma nas fontes de luz, o que estimularia uma nova direção da pesquisa. Ele propõe o uso de compressão de feixe – como em lasers de amplificação de pulso chirped ?Dentro do ondulador para aumentar significativamente o brilho da radiação. ”
“O novo método apresentado seria de grande interesse para uma comunidade diversificada que desenvolve e usa fontes de luz.”
Em FELs, como em todos os lasers, a intensidade da luz é amplificada por um mecanismo de feedback que bloqueia as fases de radiadores individuais, que neste caso são elétrons ‘livres’. No FEL, isso é obtido pela passagem de um feixe de elétrons de alta energia através do ondulador, que é uma matriz de ímãs de polaridade alternada.
A luz emitida pelos elétrons conforme eles se movem através do ondulador cria uma força chamada força ponderomotriz que agrupa os elétrons – alguns são desacelerados, alguns são acelerados, o que causa agrupamento, semelhante ao tráfego em uma rodovia periodicamente desacelerando e acelerando.
Os elétrons que passam pelo ondulador irradiam luz incoerente se estiverem uniformemente distribuídos – para cada elétron que emite luz, há outro elétron que cancela parcialmente a luz porque eles irradiam fora de fase. Uma analogia desse cancelamento parcial é a chuva no mar: ela produz muitas pequenas ondulações que se cancelam parcialmente, sufocando efetivamente as ondas – reduzindo sua amplitude. Em contraste, o vento constante ou pulsante fará com que as ondas se amplifiquem por meio da interação mútua do vento com o mar.
No FEL, o agrupamento de elétrons causa a amplificação da luz e o aumento em sua coerência, o que geralmente leva muito tempo – portanto, onduladores muito longos são necessários. Em um FEL de raios-X, as ondulantes podem ter mais de cem metros de comprimento. Os aceleradores que acionam esses FELs de raios-X têm quilômetros de comprimento, o que torna esses dispositivos muito caros e alguns dos maiores instrumentos do mundo.
No entanto, usar um laser de elétrons livres para produzir radiação coerente não é a única maneira; um feixe “pré-agrupado” ou feixe ultracurto de elétrons também pode ser usado para obter exatamente a mesma coerência em um ondulador muito curto com menos de um metro de comprimento. Contanto que o feixe de elétrons seja menor do que o comprimento de onda da luz produzida pelo ondulador, ele produzirá automaticamente luz coerente – todas as ondas de luz se somarão ou interferirão construtivamente, o que leva a uma luz muito brilhante com exatamente as mesmas propriedades da luz de um laser.
Os pesquisadores demonstraram teoricamente que isso pode ser alcançado usando um acelerador de wakefield de plasma a laser, que produz feixes de elétrons que podem ter um comprimento de algumas dezenas de nanômetros. Eles mostram que se esses feixes ultracurtos de elétrons de alta energia passarem por um ondulador curto, eles podem produzir fótons da mesma forma que um FEL muito caro pode produzir. Além disso, eles também mostraram que, ao produzir um feixe de elétrons que tem um “chirp” de energia, eles podem comprimir balisticamente o feixe para uma duração muito curta dentro do ondulador, o que fornece uma maneira única de ir para feixes de elétrons ainda mais curtos e, portanto, produzir luz de comprimento de onda ainda mais curto.
Publicado em 18/07/2021 17h33
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