Abrindo o Futuro com Lasers de Raios Gama

Poderia haver mais universos por aí, idênticos ou diferentes do nosso? Bem, ainda não sabemos.  

Embora seja um conceito proeminente no MCU, a teoria do multiverso de Stephen Hawking, que é um conjunto hipotético de todos os universos com seu próprio espaço, tempo, matéria, energia e leis físicas, permanece não comprovada, existindo apenas no reino dos filmes e da física teórica.

O que precisamos provar a existência é um dispositivo quântico. É simplesmente um sistema que usa efeitos mecânicos quânticos para operar, baseando‑se no controle e manipulação de interações quânticas para alcançar funcionalidades impossíveis em sistemas clássicos.

Na física, um quantum, a forma singular de quanta, é a quantidade mínima de qualquer entidade física. Por exemplo, o quantum de luz é um fóton.

Agora, para desvendar os mistérios do universo, vamos precisar de um dispositivo quântico específico: um laser de raios gama.

Este dispositivo hipotético seria capaz de produzir raios gama coerentes, assim como um laser comum produz feixes coerentes de luz visível. Um raio gama (símbolo γ) é uma forma penetrante de radiação eletromagnética que surge de interações de alta energia, como a decaimento radioativo de núcleos atômicos. Também ocorre em eventos astronômicos como erupções solares. 

Os raios gama consistem nas ondas eletromagnéticas de comprimento de onda mais curto, mais curtas que as dos raios X. Possuem frequências acima de 30 exahertz e comprimentos de onda menores que 10 picômetros. Os fótons de raios gama também têm a maior energia de fóton de qualquer forma de radiação eletromagnética.

Alguns anos atrás, cientistas detectaram os raios gama de mais alta energia já registrados, 20 teraelétronvolts, o que equivale a cerca de dez trilhões de vezes a energia da luz visível, provenientes de uma estrela morta chamada pulsar. 

No final do ano passado, entretanto, astrofísicos capturaram imagens de explosões de raios gama do buraco negro supermassivo M87.

Fonte da Imagem: University of California

No início deste ano, uma detecção multissensorial de um intenso flash de raios gama foi observada na colisão de dois líderes de relâmpago¹. Foi a primeira vez que um flash de raios gama terrestre (TGF) foi observado em sincronismo com a descarga do relâmpago.

Observados em vários fenômenos cósmicos, os raios gama também estão sendo estudados ativamente e criados por meio de experimentos específicos.

Experimentos com Lasers de Raios Gama e Estudos de Viabilidade

Os raios gama são uma forma de radiação eletromagnética de alta energia que penetram profundamente e oferecem várias vantagens em diversos campos. 

Suas aplicações potenciais incluem imagem médica, propulsão de espaçonaves, tratamento de câncer, e viagem interestelar. Dadas as vastas possibilidades, cientistas ao redor do mundo estão investigando a criação de um laser de raios gama, ou graser, para produzir raios gama coerentes. 

Cientistas da Universidade de Rochester receberam financiamento federal para isso, para o qual estão estudando a viabilidade de fontes de luz coerentes.

No final dos anos 1980, Gérard Mourou e Donna Strickland, da Universidade de Rochester, inventaram a amplificação de pulso chirpado (CPA), uma técnica que aumenta o pico de potência dos lasers e que mais tarde recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2018. No entanto, desenvolver lasers que produzam raios gama ainda não foi alcançado. Para enfrentar isso, eles estão investigando as propriedades de coerência da radiação emitida quando pacotes densos de elétrons colidem com um campo laser forte, o que os ajudará a entender como produzir raios gama coerentes.

“A capacidade de gerar raios gama coerentes seria uma revolução científica na criação de novos tipos de fontes de luz, similar ao modo como a descoberta e o desenvolvimento de fontes de luz visível e de raios X mudaram nossa compreensão fundamental do mundo atômico.”

– O investigador principal, Antonino Di Piazza & professor de física na universidade

Para estudar como elétrons interagem com lasers para emitir luz de alta energia, os pesquisadores começarão analisando como um ou dois elétrons emitem luz antes de investigar situações mais complexas com muitos elétrons para produzir raios gama coerentes. 

“Não somos os primeiros cientistas que tentaram criar raios gama dessa forma,” disse Di Piazza na época. “Mas estamos fazendo isso usando uma teoria totalmente quântica — eletrodinâmica quântica — que é uma abordagem avançada para resolver esse problema.”

Outra abordagem para desenvolver lasers de raios gama inclui a excitação de isômeros nucleares. 

Um artigo de pesquisa de alguns meses atrás descreveu o método de excitar núcleos de certos isótopos para um estado nuclear de energia mais alta. Usando bombardeamento de nêutrons, núcleos isoméricos são excitados para estados isoméricos metastáveis antes de desencadear emissão estimulada de raios gama para alcançar coerência a partir do núcleo.

Seu novo e “um tanto não convencional” método visa resolver o ‘dilema do Graser’ deslocando a rede cristalina durante o bombardeamento de nêutrons. 

“A tecnologia tem o potencial de criar lasers extremamente poderosos que podem ser usados em várias aplicações, incluindo armas a laser,” observou Yordan Katsarov do Departamento de Equipamentos e Tecnologias de Aviação, que faz parte da Academia da Força Aérea Búlgara Georgi Benkovski.

Agora, cientistas da Universidade do Colorado Denver criaram um chip que pode, um dia, desbloquear lasers de raios gama.

Este dispositivo quântico inovador, pequeno o suficiente para caber na sua mão, pode gerar campos eletromagnéticos extremos antes possíveis apenas em colisionadores de partículas massivos. O chip do tamanho de um polegar tem o potencial de substituir colisionadores de partículas de quilômetros de comprimento em um futuro próximo e nos ajudar a desvendar os profundos mistérios do universo, testar teorias do multiverso e criar poderosos lasers de raios gama para destruir células cancerígenas ao nível atômico e possibilitar outros tratamentos médicos revolucionários.

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Um Pequeno Chip Traz os Sonhos dos Lasers de Gama ao Alcance

Publicado em Advanced Quantum Technologies, um jornal que cobre pesquisas teóricas e experimentais em ciência, materiais e tecnologias quânticas, o estudo mais recente foi destaque na capa da edição de junho.

Conforme o estudo observou, o confinamento nanométrico de energia eletromagnética é possível usando plasmões.

Um plasmão é um quantum de oscilação de plasma, que é uma rápida oscilação da densidade de elétrons em plasmas ou metais. Essas quasipartículas são formadas por oscilações coletivas do gás de elétrons da banda de condução.

E “plasmões extremos liberam possibilidades incomparáveis, incluindo acesso a campos de petavolts por metro (PV/m), que são intensidades de campo elétrico extremamente altas, que, como o estudo observou, “abrem novas possibilidades amplas, incluindo aquelas em física de partículas e ciências fotônicas através do confinamento nanométrico de energia eletromagnética em grande escala.”

Portanto, os pesquisadores desenvolveram um modelo analítico desta classe de plasmões baseado em uma estrutura cinética quântica.

Esta última descoberta foi feita na Universidade do Colorado Denver com o objetivo de revolucionar nossa compreensão de física e química.

“É muito empolgante porque essa tecnologia abrirá campos de estudo totalmente novos e terá um impacto direto no mundo.”

– Aakash Sahai, professor assistente de Engenharia Elétrica na CU Denver

Sahai, junto com Kalyan Tirumalasetty, um estudante de seu laboratório que trabalha na tecnologia com ele, está se aproximando de fornecer à comunidade científica uma nova ferramenta para ajudá-los a transformar ficção científica em realidade.

“No passado, tivemos avanços tecnológicos que nos impulsionaram, como a estrutura subatômica que levou aos lasers, chips de computador e LEDs. Esta inovação, que também se baseia em ciência de materiais, segue a mesma linha,” acrescentou Sahai, que possui PhD em física de plasma pela Duke University e mestrado em engenharia elétrica pela Stanford University.

O que foi alcançado neste estudo é uma forma de criar campos eletromagnéticos extremos no laboratório que antes eram impossíveis.

Esses campos eletromagnéticos alimentam tudo, desde nossos chips de computador até super colisionadores de partículas, que aceleram e colidem partículas subatômicas em energias extremamente altas para obter insights sobre a natureza da matéria, energia e do universo primordial.

É quando elétrons em um material vibram e ricocheteiam em velocidades extremamente altas que esses campos eletromagnéticos são criados.

No entanto, criar campos suficientemente fortes para realizar experimentos avançados requer instalações enormes e caras.

Por exemplo, cientistas que investigam matéria escura utilizam máquinas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no Laboratório Europeu de Física de Partículas, CERN, que é o maior laboratório de física de partículas do mundo, localizado na Suíça. O LHC é o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, envolvendo um anel de 16,7 milhas (27 km) de ímãs supercondutores com várias estruturas de aceleração para impulsionar a energia das partículas ao longo do caminho.

Conduzir experimentos em tal escala requer recursos massivos. Não só é muito caro, como também pode ser altamente volátil.

Para superar esse problema, o laboratório de Sahai construiu um material semelhante a um chip baseado em silício (Si), do tamanho do seu polegar.

O silício é um semicondutor cujas propriedades (condutividade elétrica) podem ser alteradas pela adição de impurezas (dopagem) e é usado para fabricar microchips encontrados em dispositivos cotidianos como celulares, bem como em carros autônomos.

O novo material semelhante a chip pode lidar com feixes de partículas de alta energia e controlar o fluxo de energia. Também permite que cientistas e pesquisadores acessem campos eletromagnéticos que são produzidos pelas vibrações ou oscilações do gás quântico de elétrons. E tudo isso está sendo alcançado em um espaço diminuto.

O movimento rápido (oscilações) cria os campos eletromagnéticos, enquanto a técnica de Sahai permite que o material gerencie o fluxo de calor gerado pela vibração e ajude a manter a amostra estável e intacta.

“Manipular um fluxo de energia tão alto enquanto preserva a estrutura subjacente do material é a inovação. Essa inovação tecnológica pode causar uma mudança real no mundo. Trata‑se de entender como a natureza funciona e usar esse conhecimento para causar um impacto positivo no mundo.”

– Tirumalasetty

A tecnologia deles pode potencialmente reduzir colisionadores longos a um chip e permitir que cientistas vejam a atividade como nunca antes.

A universidade já solicitou e obteve patentes provisórias sobre a tecnologia, tanto nos EUA quanto internacionalmente.

No entanto, as aplicações práticas e reais da tecnologia levarão anos para se concretizar. 

Na verdade, parte do trabalho fundamental da tecnologia começou há sete anos em 2018, quando Sahai publicou sua pesquisa sobre aceleradores de antimatéria. Ele disse:

“Vai levar um tempo, mas dentro da minha vida, é muito provável.”

Dito isso, tem grande potencial para nos ajudar a entender melhor como o universo funciona em sua escala fundamental e, assim, melhorar vidas. Como Sahai observou, isso também poderia tornar os lasers de raios gama uma realidade.

“Poderíamos obter imagens de tecidos não apenas até o núcleo das células, mas até o núcleo dos átomos subjacentes. Isso significa que cientistas e médicos poderiam ver o que está acontecendo ao nível nuclear, e isso poderia acelerar nossa compreensão das imensas forças que dominam em escalas tão pequenas, ao mesmo tempo que levaria a melhores tratamentos médicos e curas,” explicou. “Eventualmente, poderíamos desenvolver lasers de raios gama para modificar o núcleo e remover células cancerígenas ao nível nano.”

A técnica dos ‘plasmões extremos’, que também é o título do estudo, pode também nos ajudar a testar a possibilidade de um multiverso.

O trabalho no pequeno chip ainda não terminou, porém. Tanto Sahai quanto Tirumalasetty agora se concentrarão em refinar o material de chip de silício e a técnica de laser no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, uma instalação de classe mundial operada pela Universidade de Stanford e financiada pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), onde a tecnologia foi testada.

Simulando o Vácuo Quântico com Lasers Ultra‑Poderosos

Portanto, como vimos, do cosmos ao laboratório, nossa compreensão da luz mais extrema do universo está evoluindo rapidamente.

Capturamos explosões de raios gama de pulsares distantes, testemunhamos flares de buracos negros supermassivos em glória de alta energia, e até registramos as colisões semelhantes a relâmpagos que produzem flashes gama terrestres. Agora, estamos aprendendo a recriar condições semelhantes aqui na Terra.

Alguns meses atrás, físicos da Universidade de Oxford simularam como feixes de laser intensos podem gerar luz onde não havia, transformando um conceito teórico em realidade.

O que os físicos conseguiram fazer foi criar, pela primeira vez, simulações 3D de como feixes de laser intensos podem afetar e mudar o vácuo quântico.

Publicado em Communications Physics, o estudo⁴ detalha o uso de modelagem computacional avançada para simular como lasers poderosos interagem com o vácuo quântico, revelando no processo como fótons colidem entre si e produzem novos feixes de luz.

As simulações recriaram a mistura de quatro ondas no vácuo (FWM), um fenômeno previsto pela física quântica que afirma que o campo eletromagnético combinado de três pulsos de laser focados pode polarizar pares virtuais de elétron‑positrão do vácuo, produzindo um novo feixe de laser no processo chamado ‘luz da escuridão’.

“Isso não é apenas uma curiosidade acadêmica – é um grande passo rumo à confirmação experimental de efeitos quânticos que até agora eram principalmente teóricos.”

– Coautor do estudo Peter Norreys, professor na Universidade de Oxford

As simulações foram executadas usando uma versão avançada de um software de simulação (OSIRIS), que modela a interação dos feixes de laser com plasma ou matéria.

“Nosso programa de computador nos oferece uma janela 3D e com resolução temporal das interações do vácuo quântico que antes estavam fora de alcance. Aplicando nosso modelo a um experimento de espalhamento com três feixes, conseguimos capturar toda a gama de assinaturas quânticas, juntamente com insights detalhados sobre a região de interação e escalas de tempo chave.”

– Zixin (Lily) Zhang, autora principal do estudo e estudante de doutorado no Departamento de Física da Oxford

Esses modelos são usados por pesquisadores para projetar experimentos reais, como formas de laser e temporizações de pulsos. Além disso, as simulações podem oferecer novos insights sobre como até pequenas assimetrias na geometria do feixe podem mudar o resultado e como as interações progridem em tempo real.

Além de ajudar a planejar futuros experimentos com lasers de alta energia, a equipe acredita que a ferramenta também pode ajudar a buscar sinais de partículas subatômicas hipotéticas como os axions, um dos principais candidatos à matéria escura.

“Uma ampla gama de experimentos planejados nas instalações de laser mais avançadas será grandemente assistida pelo nosso novo método computacional implementado no OSIRIS,” disse o coautor do estudo Luis Silva, professor no Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa. “A combinação de lasers ultra‑intensos, detecção de ponta, modelagem analítica e numérica de última geração são as bases para uma nova era nas interações laser‑matéria, que abrirá novos horizontes para a física fundamental.”

Investindo em Tecnologia de Laser

Dado que um laser de raios gama ainda não foi realizado, vamos analisar o potencial de investimento de uma empresa envolvida em tecnologia de laser em geral.

L3Harris Technologies (LHX ) é um grande player em fotônica avançada e sistemas de laser de alta energia para defesa e aeroespacial. A empresa produz uma variedade de sistemas de laser, conhecidos por seu tamanho compacto e alto desempenho.

Com uma capitalização de mercado de US$ 50,7 bilhões, as ações da LHX estão atualmente negociando a US$ 272,31, alta de 29% no ano. No início deste mês, as ações da empresa atingiram um novo máximo em US$ 280,52, alta de mais de 45% desde a baixa de abril. Com isso, seu EPS (TTM) é 8,96, e o P/L (TTM) é 30,27.

Os acionistas da LHX podem desfrutar de um rendimento de dividendos de 1,77%.

Quanto às finanças da empresa, a L3Harris Technologies reportou uma receita de US$ 5,4 bilhões e pedidos de US$ 8,3 bilhões no 2º trimestre de 2025. A margem operacional da empresa foi de 10,5% e a margem operacional ajustada do segmento foi de 15,9%. O EPS diluído, por sua vez, foi de US$ 2,44, enquanto um aumento de 16% no EPS diluído non‑GAAP o elevou para US$ 2,78.

“Entregamos resultados impressionantes no segundo trimestre, liderados por um recorde de book‑to‑bill de 1,5x, crescimento orgânico sólido e expansão da margem operacional do segmento ajustada ano a ano pelo sétimo trimestre consecutivo,” disse o CEO Christopher E. Kubasik. “Isso marca um ponto de inflexão claro, com nosso crescimento de receita mais forte em seis trimestres e progresso significativo em direção ao nosso Quadro Financeiro 2026.”

Kubasik também observou que a defesa está “entrando em um ciclo de investimento geracional, à medida que os orçamentos dos EUA e aliados crescem rapidamente,” e, diante dessa demanda “acelerada”, o portfólio da empresa está alinhado com áreas‑chave de crescimento para alcançar “crescimento lucrativo sustentado e criação de valor a longo prazo”.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da L3Harris Technologies (LHX)

Conclusão

Cientistas e engenheiros estão constantemente expandindo os limites da luz e da matéria. Esses avanços agora permitem que os lasers de raios gama passem de mera teoria para tecnologia transformadora. Aproveitar essa forma extrema de luz pode não apenas redefinir a física, mas também remodelar a medicina, a energia e nossa compreensão do próprio universo!

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Referências:

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. Flash de raios gama terrestre descendente associado à colisão de líderes de relâmpago. Science Advances, 11(21), eads6906, published 21 May 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. Uma nova abordagem para desenvolver laser de raios gama. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, published 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. Plasmões extremos. Advanced Quantum Technologies, published 19 May 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. Modelagem computacional do vácuo quântico semiclassical em 3D. Communications Physics, 8, 224, published 5 June 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8