Universidade de Salamanca consegue criar raios X coerentes e intensos por laser, o que foi publicado na “Science”
JPA/DICYT Pesquisadores do Grupo de Ótica Extrema da Universidade de Salamanca publicaram um artigo na prestigiada revista científica “Science” na edição do dia 8 de junho de 2012. O trabalho, em que participam as universidades norte americanas de Colorado e Cornell, além da austríaca de Viena, demonstra pela primeira vez que é possível criar raios X de maneira eficiente utilizando um laser intenso “de mesa”, já que cabe em um espaço muito reduzido. Os raios X produzidos são coerentes, isso é, mantém uma regularidade que permite realizar medidas muito precisas e abre portas a muitos desenvolvimentos tecnológicos.
“É uma nova fonte de raios X coerentes e isto significa que a luz dos raios X está bem caracterizada espacialmente e temporalmente”, explica em declarações a DiCYT Carlos Hernández García, autor da publicação por parte da Universidade de Salamanca com Luis Plaja. Ambos conseguiram coletar o trabalho realizado durante anos pelo Grupo de Ótica Extrema da Universidade de Salamanca, convertendo-se em um dos maiores especialistas do mundo neste campo.
“Demonstramos experimentalmente que é possível criar raios X com laseres que cabem em uma mesa”, agrega. “Por outro lado, os cálculos teóricos do grupo de Salamanca indicam que os raios X são emitidos em pulsos muito curtos, de mil trilionésimos de segundos (de 1/1.000.000.000.000.000 parte de um segundo), extremo que é impossível medir experimentalmente hoje.
“Como uma orquestra”
Do processo participam muitos átomos e cada um emite raios X, mas a soma deles é coerente, isso é, “é como se tivéssemos uma orquestra e pela primeira vez conseguíssemos fazer com que todos os músicos tocassem ao mesmo tempo, produzindo uma melodia coerente”, comenta Carlos Hernández. Ademais, isto é possível entre átomos muito dispersos, “se o diretor da orquestra é o laser, conseguimos fazer com que as ordens da liderança cheguem a músicos localizados em lugares muito separados, é como sincronizar uma orquestra do tamanho da superfície da Terra”.
“O comprimento da onda dos raios X é 1.000 vezes mais curto do que o da luz visível, tem grande capacidade para penetrar nos materiais, de modo que os raios X coerentes produzidos neste trabalho são revolucionariamente promissores como ferramentas para entender e controlar como funciona o mundo na escala nanométrica, para uma próxima geração de aplicações eletrônicas, armazenamento de informação e diagnóstico médico”, afirmam os pesquisadores de Salamanca.
Carlos Hernandez realizou parte de sua pesquisa na Universidade de Colorado, que está desenvolvendo esta fonte de raios X nos últimos 10 anos. Enquanto as Universidades do Colorado e Técnica de Viena desenvolveram a parte experimental, Salamanca e Cornell dedicaram-se à parte teórica.
O Grupo de Ótica Extrema de Salamanca conseguiu simular o processo de geração de harmônicos, a soma coerente de todos os átomos, e prever qual seria a duração dos raios X. É a primeira vez que se simula este tipo de experimento. As simulações teóricas prevêem aspectos da radiação produzida que não podem ser medidos com a tecnologia atual, mas que são extremamente importantes.
O futuro da pesquisa
O desenvolvimento futuro desta pesquisa caminha para conseguir gerar raios X duros, pulsos de raios X com durações menores que o attosegundo e aliar-se com os laseres de elétrons livre, que também são capazes de gerar raio X, mas de menor coerência, utilizando grandes instalações ligadas a aceleradores de partículas convencionais. “A combinação dos dois métodos permite pensar em uma estratégia comum na qual o sistema que apresentamos proporcione um sinal de alta qualidade para ser amplificado nas diferentes etapas que compõem o laser de elétrons livres”, declaram os cientistas.
Finalmente, Carlos Hernández e Luis Plaja afirmam que esta pesquisa é o resultado de um colaboração internacional, que demonstra novamente que a Ciência não tem fronteiras. No entanto, para participar neste tipo de alianças é preciso contar com um financiamento estável e atualmente a pesquisa na Espanha passa por um período de incertezas.
O que pode ser feito com os raios X moles?
O objetivo dos pesquisadores é que esta tecnologia laser, que atualmente conseguiu gerar raios X moles, avance até ser capaz de conseguir raios X duros, que teriam maiores aplicações porque são utilizados, por exemplo, no âmbito da biomedicina, por serem capazes de penetrar nos tecidos biológicos. No entanto, as possibilidades dos raios X moles desenvolvidos com este sistema laser já são muitas. Os pesquisadores de Salamanca enumeraram as principais:
- Medir moléculas e dispositivos tecnológico do tamanho de um nanômetro (milionésima de milímetro). As ondas coerentes têm suas cristas em intervalos regulares. Isto permite medir distâncias contando o número de cristas entre dois pontos de espaço. A resolução da medida depende, obviamente, da distância entre cristas. Esta distância é o comprimento da onda da radiação. Para a maioria dos laseres tem comprimento de onda próximo ao mícron (milésima de milímetro) e, por exemplo, podem ser aplicados para medir a rugosidade em superfícies dessa ordem, ou medidas de distâncias com esta mesma precisão. Os raios X possuem longitudes de onde milhares de vezes menores que as visíveis, o que permite medir tamanhos muito menores como, por exemplo, as dimensões de algumas moléculas ou dos dispositivos nanotecnológicos.
- Microscopia nanoscópica. Qualquer imagem tem uma resolução mínima. Não é tanto um problema tecnológico, mas da própria natureza da luz: Sabemos que a luz se dispersa completamente ao iluminar objetos de tamanho igual ou menor que sua longitude de onda. A luz assim dispersada perde toda a informação sobre a estrutura e tamanho do objeto. Os raios X, portanto, oferecem resoluções nanométricas, o que permite resolver estruturas espaciais muito pequenas como, por exemplo, as partes integrantes dos vírus menores.
- Física atômica de alta energia (chegar aos elétrons do interior do átomo). Os laseres convencionais somente interagem com os elétrons mais superficiais dos átomos. Graças a eles temos uma idéia precisa dos processos que ocorrem neste nível. No entanto, os elétrons internos se encontram fora de seu alcance: são tão energéticos que não é possível pertubá-los ou controlá-los com fótons de radiação visível. Os raios X interagem com estes elétrons proporcionando informação sobre os processos realizados no interior do átomo.
4. Observação ultra-rápida. Do mesmo modo que as ondas do mar tranqüilo, os feixes coerentes não só são regulares no espaço, como também no tempo. A regularidade no tempo transcorrido entre duas cristas da onda nos proporciona um relógio para medir os processos de uma Natureza. Para os laseres convencionais, este relógio é muito preciso: tem uma resolução de cerca de um femtosegundo (mil trilionésimo de um segundo, isto é, 1/1.000.000.000.000.000 de um segundo), o que permite resolver o desenvolvimento de reações químicas. Os fenômenos físicos fundamentais são cem vezes mais rápidos, o que requer radiação coerente de freqüência muito maior do que a visível, isso é, raios X. De fato, em nossa contribuição os raios X gerados oscilam ainda mais rapidamente, o que possibilita atingir resoluções temporais menores do que attosegundo (um trilionésimo de um segundo, isto é, 1/1.000.000.000.000.000.000 de um segundo).