Os cientistas poderão em breve investigar os segredos das menores partículas do mundo com mais detalhes do que nunca, após uma grande atualização dos mais poderosos laser desse tipo no mundo.
O Departamento de Energia dos EUA (DOE) deu luz verde para atualizar a Linac Coherent Light Source (LCLS), um laser de raios X incrivelmente poderoso usado para pesquisa. Isso é baseado no SLAC National Accelerator Laboratory – localizado próximo ao campus da Universidade de Stanford, na área da baía de São Francisco.
Os cientistas usam o LCLS para documentar e analisar os blocos de construção do universo, explodindo átomos, nanoestruturas e moléculas com raios X. Isto permite-lhes documentar os processos atómicos que governam o modo como o mundo funciona e é especialmente útil para investigar processos subatómicos nas ciências quânticas, energéticas e biológicas.
Lasers de elétrons livres como este produzem luz brilhante em um comprimento de onda incrivelmente amplo, com feixes que são ordens de magnitude mais brilhantes e intensos do que outros lasers. O LCSC funciona acelerando os elétrons a uma velocidade que se aproxima da velocidade da luz e, em seguida, concentrando-os através de um conjunto de ímãs conhecido como “ondulador”. Isto obriga-os a libertar fotões (partículas de luz) num feixe concentrado e brilhante que ilumina as partículas num processo semelhante à imagem de raios X sobrecarregada.
Como funciona o laser de raios X LCSC
O LCLS está alojado em um túnel de 3,2 quilômetros originalmente usado para um acelerador de partículas construído em 1962. Foi atualizado pela primeira vez em 2023 como parte do projeto “LCLS-II”. Novo hardware adicionado ao laser aumentou seu brilho – resultando em um feixe de até 10.000 vezes mais brilhante do que com a primeira fase do LCLS. O LCSC-II também é um trilhão de vezes mais brilhante do que os raios X que você pode encontrar em um hospital. Ele dispara raios em rajadas de até um milhão de pulsos por segundo – cada um durando apenas alguns femtossegundos – o tempo que a luz leva para viajar 300 nanômetros (ou aproximadamente a largura de um vírus).
Isso permite gravar “filmes” quadro a quadro de processos químicos: em 2015, isso permitiu aos cientistas ver como formação de ligações químicas pela primeira vez, e em 2023 para observar o etapas em tempo real da fotossíntese. Isto nos ajuda a compreender tudo, desde reações químicas até a conservação de energia em novas células solares.
Parte do projeto incluiu a adição de um novo acelerador supercondutor, que aumentou muito a velocidade de aceleração dos elétrons dentro do laser. Alcançar esses resultados significou resfriar o caminho das partículas até quase zero absoluto usando 37 módulos criogênicos (crimódulos), que reduziram as temperaturas dentro do LCLS para -456 graus F (-271 graus C) – isso é mais frio que o espaço profundo.
Esses módulos são alinhados um após o outro e formam o invólucro dentro do qual o laser do LCLS-II é disparado. Dentro de cada criomódulo do circuito encontram-se cavidades de radiofrequência, que, uma vez resfriadas a temperaturas incrivelmente baixas, atuam como supercondutores para amplificar a saída de energia do feixe do laser. Os criomódulos contêm hélio super-resfriado e cavidades supercondutoras de radiofrequência que ajudam a resfriar os materiais usados em sistemas científicos sensíveis, como o LCLS, permitindo-lhes operar sem resistência elétrica ou produção de calor.
O que esperar do LCLS-II-HE
Esta última rodada de atualizações é conhecida como “LCLS-II-HE” e dobrará a energia produzida pelo feixe de elétrons livres do LCLS-II, para um aumento geral de brilho de 3.000 vezes. Isso exigirá mais resfriamento com 23 criomódulos adicionais.
Para construir esses novos componentes, o SLAC National Accelerator Laboratory trabalhará com o Fermi National Accelerator Laboratory, o Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) da Michigan State University e o Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Também colaborará com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que projetou os onduladores usados no LCLS-II juntamente com o Laboratório Nacional de Argonne, para adaptar o ondulador de acordo com os novos requisitos de produção.
“A atualização do LCLS-II-HE será um avanço transformador para a missão científica do DOE Basic Energy Sciences e para a comunidade científica mais ampla”, disse o Diretor do LCLS, Mike Dunne, em um Comunicado de imprensa. “Se a atualização do LCLS-II possibilitou uma câmera de filme de alta qualidade capaz de capturar imagens nítidas e detalhadas, a atualização do LCLS-II-HE aumenta enormemente a resolução e a sensibilidade dessa câmera. Os cientistas serão capazes de obter imagens do movimento em escala atómica de materiais, sistemas químicos e complexos biológicos para enfrentar alguns dos desafios mais críticos que a nossa sociedade enfrenta.”
A atualização custará US$ 716 milhões e deverá aumentar muito as capacidades científicas do SLAC National Accelerator Laboratory, administrado pela Universidade de Stanford em nome do DOE. Atualmente, a organização espera que a atualização seja concluída até 2030, embora os cientistas esperem realizar testes muito mais cedo para demonstrar todo o potencial do laser.
Lasers de raios X como o LCLS carregam potencial transformacional para descobertas científicas. Eles já estão sendo usados para estudar estruturas ótimas para nanotecnologia e nanomateriais, que representantes do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC disse poderia ser fundamental para melhorar a tecnologia de energia renovável e a densidade de energia das baterias. Este trabalho científico também poderá expandir a nossa compreensão dos processos biológicos em nanoescala na busca pela produção de medicamentos melhores, acrescentaram.
Uma vez atualizado, o LCLS produzirá mais de um petabyte de dados por dia, que por sua vez poderá ser usado para treinar aprendizado de máquina e inteligência artificial (IA) modelos implantados nos campos científicos acima mencionados.