Compacto x

Quando o primeiro laser de elétrons livres de raios X (XFEL) foi inaugurado em 2009 no SLAC National Accelerator Laboratory na Califórnia, ele forneceu uma nova maneira de olhar para o mundo em escala atômica, revelando detalhes sobre processos bioquímicos, como fotossíntese e materiais exóticos, como como supercondutores. Mas, desde então, apenas quatro outras instalações de bilhões de dólares foram construídas em todo o mundo, e é difícil conseguir tempo para elas.

Um grupo de pesquisadores da Arizona State University (ASU), Tempe, agora planeja construir um novo tipo de laser de elétrons livres, dramaticamente menor e mais barato do que qualquer outro que já existiu. Este mês, a ASU anunciou que embarcaria no projeto Compact X-ray Free Electron Laser (CXFEL) de US$ 170 milhões, depois de receber uma doação de US$ 91 milhões da National Science Foundation. O projeto poderia colocar as máquinas ao alcance dos laboratórios universitários e ampliar sua acessibilidade.

"É uma ideia elegante", diz Claudio Pellegrini, físico do SLAC que propôs pela primeira vez seu XFEL em 1992. "Todo mundo gostaria de fazer um sistema menor."

Os XFELs são excelentes sondas do mundo atômico porque os raios X de comprimento de onda curto podem resolver detalhes que seriam invisíveis à luz de comprimento de onda mais longo. Além disso, os pulsos curtos de raios X de femtosegundo funcionam como uma câmera de alta velocidade, ajudando os pesquisadores a capturar processos ultrarrápidos, como o movimento de elétrons e átomos.

Para alcançar essa resolução espacial e temporal suprema, um XFEL padrão requer um acelerador linear de um quilômetro de comprimento. Ele aumenta os elétrons até energias de 10 gigaeletronvolts (GeV), ou 99,9999995% da velocidade da luz. Em seguida, os elétrons passam por "onduladores" - uma série de ímãs dispostos em polaridade alternada. Os elétrons emitem raios-x à medida que se movem através dos campos magnéticos. As interações entre a luz e os elétrons fazem com que os elétrons se agrupem e irradiem em conjunto como um laser.

A equipe da ASU planeja substituir os volumosos onduladores magnéticos por um laser que brilhará diretamente no trem de elétrons que se aproxima. O laser, como todas as emissões eletromagnéticas, tem um campo magnético associado a ele, diz Bill Graves, físico da ASU e cientista-chefe do CXFEL. "Quando os elétrons encontram o laser, eles se movem como em um ondulador." Mas onde a polaridade dos campos ondulatórios se alterna ao longo de alguns centímetros, o campo do laser oscila junto com o comprimento de onda da luz – apenas 1 micrômetro.

Este ondulador de frequência ultra-alta significa que os elétrons podem se mexer e emitir raios-x com energias muito mais baixas. Eles só precisam ser acelerados para meros 30 megaeletronvolts, um feito muito mais fácil do que os 10 GeV necessários em um XFEL padrão. Isso reduz enormemente a pegada do XFEL, reduzindo-o de 1 quilômetro para apenas 10 metros.

Com um feixe de elétrons de energia mais baixa, a equipe pode usar difratores de cristal e ímãs para padronizar os elétrons em grupos bem compactados. Os elétrons agrupados se movem de forma mais síncrona uns com os outros e, como resultado, produzem luz de raios-x mais coerente. O agrupamento também resulta em um pulso mais curto de menos de um femtossegundo.

Esses pulsos curtos podem potencialmente revelar a maneira como as moléculas de clorofila capturam a luz solar durante a fotossíntese, diz Petra Fromme, bioquímica da ASU e membro da equipe do CXFEL. "Podemos olhar para coisas que ninguém viu antes."

Sam Teitelbaum, um físico da ASU, planeja usar o CXFEL como uma sonda sensível do comportamento de elétrons em materiais, que pode produzir uma série de fenômenos inexplicáveis, desde supercondutividade de alta temperatura até estados magnéticos exóticos. As lições aprendidas podem inspirar novos materiais supercondutores ou dispositivos de armazenamento de dados mais confiáveis.

Embora o novo dispositivo tenha pulsos rápidos e coerentes, ele não terá quase o mesmo impacto de um XFEL padrão. Seus pulsos são muito menos brilhantes e os fótons de raios X individuais têm comprimentos de onda mais longos do que os de seus predecessores maiores. Isso significa que o CXFEL perderá alguns dos menores detalhes que os XFELs maiores podem ver. Por outro lado, os pulsos de energia mais baixos causarão menos danos às amostras que normalmente são obliteradas pelas instalações maiores.