Um acelerador de partículas capaz de gerar raios X intensos poderá vir a ser comprimido até caber num dispositivo do tamanho de um equipamento de bancada - foi isso que eu e os meus colegas concluímos num novo projecto de investigação.
Hoje, a produção de raios X intensos é feita, em geral, através de uma instalação conhecida como fonte de luz síncrotron. Estas infra-estruturas são usadas para estudar materiais, moléculas de fármacos e tecidos biológicos. Mesmo assim, até os mais pequenos síncrotrones existentes têm, regra geral, dimensões comparáveis às de um estádio de futebol.
O nosso trabalho, já aceite para publicação na revista Physical Review Letters, descreve de que forma pequenas estruturas chamadas nanotubos de carbono e luz laser poderão gerar raios X de grande brilho num microchip. Embora a proposta ainda esteja numa fase conceptual, o avanço tem potencial para mexer profundamente com a medicina, a ciência dos materiais e outras áreas.
Muitas pessoas imaginam os aceleradores de partículas como máquinas gigantescas: anéis enormes de metal e ímanes que se estendem por quilómetros debaixo do solo. O Grande Colisionador de Hadrões (LHC), no CERN (Organização Europeia para a Investigação Nuclear), em Genebra, por exemplo, tem 27 km de comprimento.
A nova investigação aponta para a possibilidade de, num futuro próximo, construir aceleradores ultra-compactos com apenas alguns micrómetros de largura - menores do que a espessura de um cabelo humano. Esses dispositivos poderiam produzir raios X coerentes e de alta energia, semelhantes aos que são gerados em fontes de luz síncrotron que custam milhares de milhões, mas recorrendo a tecnologia que cabe num microchip.
Luz torcida no acelerador de partículas
A ideia assenta numa propriedade específica da luz, conhecida como polaritões plasmon de superfície. Trata-se de ondas que se formam quando a luz laser “se agarra” à superfície de um material. Nas simulações, foi enviado um impulso de laser circularmente polarizado através de um tubo minúsculo e oco. Este tipo de pulso é luz que roda enquanto se propaga, muito à semelhança de um saca-rolhas.
O campo em rotação prende e acelera os electrões dentro do tubo, obrigando-os a moverem-se em trajectória helicoidal. Ao deslocarem-se de forma sincronizada, os electrões emitem radiação de modo coerente, amplificando a intensidade da luz em até duas ordens de grandeza.
Eu e a minha equipa criámos um síncrotron microscópico, no qual os mesmos princípios físicos que sustentam instalações com quilómetros de extensão se reproduzem - mas numa escala nanoscópica.
Para viabilizar este conceito, recorremos a nanotubos de carbono. São estruturas cilíndricas, formadas por átomos de carbono organizados em padrões hexagonais. Estes nanotubos toleram campos eléctricos muito elevados, centenas de vezes mais intensos do que os usados em aceleradores convencionais. Além disso, podem ser “cultivados” na vertical, formando aquilo a que chamamos uma “floresta” de tubos ocos muito próximos e alinhados.
Esta arquitectura, pouco comum, cria um ambiente ideal para que a luz laser em saca-rolhas se acople aos electrões. O laser circularmente polarizado ajusta-se à estrutura interna do nanotubo - como uma chave numa fechadura - razão pela qual descrevemos isto como um mecanismo quântico de “fechadura e chave”.
A equipa de investigação da qual faço parte foi liderada por Bifeng Lei, investigador associado na escola de ciências físicas. As simulações 3D mostraram que esta interacção pode gerar campos eléctricos de vários teravolts (um bilião de volts) por metro. Isto ultrapassa largamente o que as tecnologias actuais de aceleração conseguem atingir.
Um desempenho deste tipo pode alterar, de forma decisiva, quem consegue aceder a fontes avançadas de raios X. Neste momento, os cientistas têm de candidatar-se a janelas de utilização limitadas em grandes síncrotrones nacionais ou em lasers de electrões livres, muitas vezes esperando meses por apenas algumas horas de tempo de feixe.
Alargar o acesso aos raios X intensos
A abordagem do acelerador de bancada poderia levar esta capacidade a hospitais, universidades e laboratórios industriais - na prática, a qualquer local onde seja necessária.
Na medicina, isto poderá traduzir-se em mamografias mais nítidas e em novas técnicas de imagiologia capazes de revelar tecidos moles com um nível de detalhe sem precedentes, sem necessidade de agentes de contraste.
No desenvolvimento de fármacos, investigadores poderiam analisar estruturas proteicas internamente, acelerando de forma drástica o desenho de novas terapêuticas. E, na ciência dos materiais e na engenharia de semicondutores, seria possível realizar ensaios não destrutivos e de alta velocidade em componentes delicados.
O estudo foi apresentado no workshop NanoAc 2025, dedicado ao tema da nanotecnologia na física de aceleradores, realizado em Liverpool no início deste mês. Por enquanto, a investigação continua na fase de simulação. Ainda assim, os componentes necessários já existem: lasers circulares polarizados de grande potência e estruturas de nanotubos fabricadas com elevada precisão são ferramentas correntes em laboratórios de investigação avançada.
O passo seguinte é a verificação experimental. Se resultar, isto poderá assinalar o início de uma nova geração de fontes de radiação ultra-compactas. O que mais me entusiasma nesta tecnologia não é apenas a física, mas aquilo que ela simboliza.
Os aceleradores de grande escala impulsionaram avanços científicos enormes, mas continuam fora do alcance da maioria das instituições. Um acelerador miniaturizado com desempenho comparável poderá democratizar o acesso a ferramentas de investigação de classe mundial, colocando ciência de fronteira nas mãos de muito mais investigadores.
O futuro da aceleração de partículas poderá incluir máquinas muito grandes para continuar a elevar as fronteiras de energia, intensidade e descoberta, mas também aceleradores mais pequenos, mais inteligentes e mais acessíveis.
Carsten P Welsch, Professor de Física, Universidade de Liverpool
Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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