{"id":29821,"date":"2025-12-11T17:09:59","date_gmt":"2025-12-11T20:09:59","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/?p=29821"},"modified":"2025-12-11T19:55:10","modified_gmt":"2025-12-11T22:55:10","slug":"microtubos-a-laser-revelam-novo-caminho-para-gerar-radiacao-sincrotron-coerente","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/microtubos-a-laser-revelam-novo-caminho-para-gerar-radiacao-sincrotron-coerente\/","title":{"rendered":"Microtubos a laser revelam novo caminho para gerar radia\u00e7\u00e3o s\u00edncrotron coerente"},"content":{"rendered":"\n

<\/a>A radia\u00e7\u00e3o s\u00edncrotron coerente (CSR, da sigla em ingl\u00eas) \u00e9 uma das formas mais intensas e brilhantes de luz produzida por el\u00e9trons. Ela surge quando part\u00edculas carregadas se movem de maneira acelerada em uma configura\u00e7\u00e3o coletiva e ordenada, permitindo que as ondas emitidas por cada el\u00e9tron se somem em fase. Esse processo cria pulsos extremamente brilhantes e de amplo espectro, essenciais para aplica\u00e7\u00f5es em terahertz, infravermelho distante, espectroscopia ultrarr\u00e1pida e diagn\u00f3stico de aceleradores.<\/p>\n\n\n\n

Um novo estudo publicado na Physical Review Letters, com participa\u00e7\u00e3o de Alexandre Bonatto, f\u00edsico e professor da Universidade Federal de Ci\u00eancias da Sa\u00fade de Porto Alegre, prop\u00f5e um mecanismo in\u00e9dito para produzir CSR usando um microtubo s\u00f3lido e um laser circularmente polarizado de alta intensidade.<\/p>\n\n\n\n

De acordo com o artigo \u201cCoherent Synchrotron Radiation by Excitation of Surface Plasmon Polariton on Near-Critical Solid Microtube Surface<\/a>\u201d, a proposta se apoia na excita\u00e7\u00e3o de pl\u00e1smons polarit\u00f4nicos de superf\u00edcie (SPPs), ondas h\u00edbridas que combinam luz e oscila\u00e7\u00f5es coletivas dos el\u00e9trons existentes na superf\u00edcie de um material. Quando um laser incide sobre essa interface, as cargas podem oscilar de modo ressonante, confinando a energia eletromagn\u00e9tica muito pr\u00f3xima \u00e0 superf\u00edcie. \u00c9 como se o material conduzisse uma onda de luz \u201cguiada\u201d ao longo de sua parede interna.<\/p>\n\n\n

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Alexandre Bonatto, f\u00edsico e professor da Universidade Federal de Ci\u00eancias da Sa\u00fade de Porto Alegre.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Bonatto explica que o estudo \u00e9 te\u00f3rico e num\u00e9rico, mas o desenvolvimento de um experimento para a sua verifica\u00e7\u00e3o j\u00e1 est\u00e1 em discuss\u00e3o. Segundo o f\u00edsico m\u00e9dico, a ideia de gerar luz s\u00edncrotron nesse estudo se aproxima do que ocorre no S\u00edrius, onde os el\u00e9trons s\u00e3o acelerados em um anel pr\u00f3ximos \u00e0 velocidade da luz e, em certos pontos, suas trajet\u00f3rias s\u00e3o desviadas por poderosos \u00edm\u00e3s, momento no qual a luz s\u00edncrotron \u00e9 liberada.<\/p>\n\n\n\n

\u201cEm geral, os gradientes de acelera\u00e7\u00e3o das t\u00e9cnicas convencionais s\u00e3o de dezenas a centenas de MeV (mega el\u00e9tron volt) por metro. Ent\u00e3o, eu preciso propagar grandes dist\u00e2ncias para levar essas part\u00edculas \u00e0s energias requeridas. Se n\u00e3o me engano, o Sirius opera a 3 GeV (giga el\u00e9tron volt). A grande diferen\u00e7a de utilizar um plasma ou uma estrutura s\u00f3lida, com um laser se propagando nessa estrutura, \u00e9 que os gradientes de acelera\u00e7\u00e3o s\u00e3o muito maiores. Um plasma gasoso suporta campos da ordem de gigavolts por metro, e esse campo escala com a densidade do material\u201d, explica o cientista ga\u00facho.<\/p>\n\n\n\n

\u201cEstudos recentes utilizam estruturas s\u00f3lidas, que t\u00eam densidade v\u00e1rias ordens de grandeza maior que a do g\u00e1s, atingindo gradientes de acelera\u00e7\u00e3o de terael\u00e9tron-volts por metro. Em uma dist\u00e2ncia muito curta, consigo acelerar o el\u00e9tron a algumas dezenas de MeV. No caso espec\u00edfico desse estudo, trabalhamos com um microtubo que poderia ser confeccionado com uma esp\u00e9cie de \u2018floresta\u2019 de nanotubos de carbono.\u201d<\/p>\n\n\n\n

\u00c2ngulo de Vavilov\u2013Cherenkov<\/h2>\n\n\n\n

No trabalho, esses SPPs s\u00e3o excitados na superf\u00edcie interna de um microtubo de densidade pr\u00f3xima \u00e0 cr\u00edtica, regime em que a luz interage fortemente com o material, mas ainda consegue penetr\u00e1-lo parcialmente. Ao se propagar ao longo do eixo do tubo, o laser acopla eficientemente aos modos cil\u00edndricos desses SPPs, produzindo campos eletromagn\u00e9ticos com estrutura azimutal, isto \u00e9, distribu\u00eddos em torno da circunfer\u00eancia do tubo. Esses campos n\u00e3o apenas giram, mas tamb\u00e9m modulam e confinam el\u00e9trons superficiais, acelerando-os diretamente.<\/p>\n\n\n\n

Essa din\u00e2mica leva os el\u00e9trons a irradiar CSR no \u00e2ngulo de Vavilov\u2013Cherenkov, um fen\u00f4meno que ocorre quando a radia\u00e7\u00e3o emitida se organiza ao longo de um cone caracter\u00edstico determinado pela velocidade das part\u00edculas e pelas propriedades \u00f3pticas do meio. Trata-se do mesmo princ\u00edpio f\u00edsico por tr\u00e1s do brilho azul em reatores nucleares, mas aqui aplicado a uma fonte laser-plasma em escala microm\u00e9trica.<\/p>\n\n\n\n

O estudo mostra ainda que a simetria azimutal dos el\u00e9trons tem papel decisivo. Quando esses el\u00e9trons apresentam uma distribui\u00e7\u00e3o mais sim\u00e9trica ao redor do tubo, a modula\u00e7\u00e3o helicoidal produzida pelos SPPs permite que a radia\u00e7\u00e3o coerente seja emitida em todas as dire\u00e7\u00f5es azimutais, na forma de harm\u00f4nicos isolados. Em outras palavras: a oscila\u00e7\u00e3o coletiva do feixe cria padr\u00f5es de frequ\u00eancia discretos e bem definidos, aumentando muito a intensidade da radia\u00e7\u00e3o mesmo quando a coer\u00eancia total n\u00e3o \u00e9 perfeita.<\/p>\n\n\n\n

Simula\u00e7\u00f5es tridimensionais usando o m\u00e9todo particle-in-cell indicam que o novo esquema pode gerar raios X com coer\u00eancia at\u00e9 duas ordens de grandeza maiores do que a obtida por processos incoerentes. Esse ganho \u00e9 especialmente relevante para o desenvolvimento de fontes compactas e ultracurtas de radia\u00e7\u00e3o, um campo que vem avan\u00e7ando rapidamente gra\u00e7as \u00e0s intera\u00e7\u00f5es relativ\u00edsticas entre lasers e plasmas.<\/p>\n\n\n\n

\u201cEspera-se que uma pr\u00f3xima gera\u00e7\u00e3o de equipamentos cient\u00edficos, industriais e m\u00e9dicos fa\u00e7a uso dessa nova tecnologia, desenvolvendo, assim, equipamentos compactos e possivelmente mais acess\u00edveis, ao inv\u00e9s de depender de uma estrutura gigantesca, centralizada. Talvez no futuro, a gente vai conseguir ter pequenos aceleradores nos laborat\u00f3rios, nos hospitais, e vamos poder usar tanto os el\u00e9trons acelerados quanto essa radia\u00e7\u00e3o, para diversas aplica\u00e7\u00f5es\u201d\u201d, explica Bonatto.<\/p>\n\n\n\n

O trabalho tamb\u00e9m discute desafios experimentais: \u00e9 preciso lasers de alto contraste \u2014 capazes de evitar a forma\u00e7\u00e3o de pr\u00e9-plasma que destruiria a estrutura do microtubo \u2014 al\u00e9m de toler\u00e2ncias extremas na fabrica\u00e7\u00e3o, geometria e alinhamento do dispositivo. Mesmo assim, os autores afirmam que tais obst\u00e1culos est\u00e3o dentro do alcance das tecnologias atuais ou pr\u00f3ximas.<\/p>\n\n\n\n

A descoberta dialoga com outra frente recente da f\u00edsica da luz: um novo regime de superradi\u00e2ncia, em que a emiss\u00e3o coerente pode surgir por meio da cria\u00e7\u00e3o de quasipart\u00edculas luminais ou superluminais. Essas quasipart\u00edculas s\u00e3o excita\u00e7\u00f5es coletivas que se comportam como entidades \u00fanicas e podem, sem violar a causalidade, se mover de modo que suas frentes de onda se cruzem, formando choques \u00f3pticos ou c\u00e1usticos \u2014 regi\u00f5es em que a interfer\u00eancia construtiva intensifica ainda mais a radia\u00e7\u00e3o.<\/p>\n\n\n\n

Assim, o estudo combina dois conceitos de fronteira: o uso de SPPs em microestruturas s\u00f3lidas para controlar el\u00e9trons relativ\u00edsticos e a explora\u00e7\u00e3o de superradi\u00e2ncia generalizada para gerar radia\u00e7\u00e3o coerente. Juntos, esses elementos abrem caminho para novas fontes compactas de raios X e para uma compreens\u00e3o mais profunda dos regimes extremos de intera\u00e7\u00e3o entre luz e mat\u00e9ria.<\/p>\n\n\n\n

\u201cN\u00f3s temos, por exemplo, um pulso laser na ordem de femtossegundos, ultracurto. Essa radia\u00e7\u00e3o vai ser produzida nessa mesma escala de tempo. Ent\u00e3o, n\u00f3s vamos ter, por exemplo, uma alta resolu\u00e7\u00e3o temporal, tamb\u00e9m teremos comprimentos de onda m\u00faltiplos, de acordo com esses harm\u00f4nicos que s\u00e3o produzidos\u201d, explica Bonatto. \u201cEssa gama de radia\u00e7\u00e3o com essas propriedades que poder\u00e3o, por exemplo, ser utilizadas para o imageamento de rea\u00e7\u00f5es biol\u00f3gicas ou moleculares, que s\u00e3o ultrarr\u00e1pidas, muito pequenas. Tamb\u00e9m h\u00e1 estudos pensando na utiliza\u00e7\u00e3o tanto dos el\u00e9trons acelerados quanto dessa radia\u00e7\u00e3o para eventuais formas de radioterapia, uma modalidade chamada de braquiterapia, em que voc\u00ea insere a fonte de radia\u00e7\u00e3o dentro da pessoa para tratar um tumor.\u201d<\/p>\n\n\n\n

Assista \u00e0 entrevista completa em nosso canal no YouTube<\/h2>\n\n\n\n
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