Inaugurando o futuro com lasers de raios gama

Poderiam existir 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 sem comprovação, existindo apenas no reino dos filmes e da física teórica.

O que precisamos provar é a existência de um dispositivo quântico. É simplesmente um sistema que usa efeitos mecânicos quânticos para operar, contando com o controle e a manipulação de interações quânticas para alcançar funcionalidades não possíveis 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, de forma muito semelhante à forma como um laser comum produz raios gama coerentes de luz visível. Um raio gama (símbolo γ) é uma forma penetrante de radiação eletromagnética que surge de interações de alta energia, como o decaimento radioativo de núcleos atômicos. Também surge de eventos astronômicos, como erupções solares. 

Os raios gama são ondas eletromagnéticas com o menor comprimento de onda, mais curtos que os raios X. Possuem frequências acima de 30 exahertz e comprimentos de onda inferiores a 10 picômetros. Os fótons de raios gama também possuem a maior energia de fóton entre todas as formas de radiação eletromagnética.

Há alguns anos, cientistas detectou os raios gama de maior energia já emitidos, 20 tera-elétron-volts, o que é cerca de dez trilhões de vezes a energia da luz visível, de uma estrela morta chamada pulsar. 

Entretanto, no final do ano passado, os astrofísicos capturada imagens de erupções de raios gama do buraco negro supermassivo M87.

Fonte da imagem: Universidade da Califórnia

No início deste ano, uma detecção multissensor de um intenso flash de raios gama foi observado após a colisão de dois líderes de raios¹. Foi a primeira vez que um flash de raios gama terrestre (TGF) foi observado em sincronia com a descarga de relâmpagos.

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

Experimentos com laser de raios gama e estudos de viabilidade

Os raios gama são uma forma de radiação eletromagnética de alta energia, altamente penetrantes e que oferecem diversas vantagens.em vários campos. 

Suas aplicações potenciais incluem imagens médicas, propulsão de espaçonaves, tratamento de câncere viagens interestelares. Dadas as suas vastas possibilidades, cientistas em todo o mundo estão estudando a possibilidade de criar um laser de raios gama, ou graser, para produzir raios gama coerentes. 

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

Na década de 1980, Gérard Mourou e Donna Strickland da Universidade de Rochester inventaram amplificação de pulso chilreado (CPA), uma técnica que aumenta a potência de pico dos lasers e que, posteriormente, ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2018. No entanto, o desenvolvimento de lasers que produzam raios gama ainda não foi alcançado. Para lidar com isso, eles estão investigando as propriedades de coerência da radiação emitida quando feixes densos de elétrons colidem com um forte campo de laser, o que os ajudará a entender como produzir raios gama coerentes.

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

– O investigador principal, Antonino Di Piazza e professor de física na Universidade

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

"Não somos os primeiros cientistas que tentaram criar raios gama desta forma”, disse Di Piazza no momento. "Mas estamos fazendo isso usando uma teoria totalmente quântica — a eletrodinâmica quântica — que é uma abordagem avançada para abordar esse problema."

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

A trabalho de pesquisa² Há alguns meses, delineou o método para excitar núcleos de certos isótopos a um estado nuclear de maior energia. Usando bombardeio de nêutrons, núcleos isoméricos são excitados a estados isoméricos metaestáveis antes de desencadear a emissão estimulada de raios gama para obter coerência a partir do núcleo.

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

"A tecnologia tem o potencial de criar lasers extremamente poderosos que podem ser usado 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 em Denver criaram um chip que poderá 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 aceleradores de partículas massivos. O chip, do tamanho de um polegar, tem o potencial de substituir aceleradores de partículas com quilômetros de extensão em um futuro não tão distante e nos ajudar a desvendar os mistérios profundos do nosso universo, testar teorias do multiverso e criar poderosos lasers de raios gama para destruir células cancerígenas em nível atômico e possibilitar outros tratamentos médicos revolucionários.

Deslize para rolar →

Um pequeno chip torna realidade os sonhos com laser gama

Publicado em Advanced Quantum Technologies, um periódico que abrange pesquisas teóricas e experimentais em ciência quântica, materiais e tecnologias, o mais recente estudo³ foi destaque na capa da edição de junho.

Como o estudo observou, o confinamento nanométrico de energia eletromagnética é possível usando plasmons.

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

E “plasmons extremos liberam possibilidades inigualáveis, incluindo acesso a campos sem precedentes de petavolts por metro” (campos PV/m), que são intensidades de campo elétrico extremamente altas, que o estudo observou, “abrem novas e amplas possibilidades, incluindo aquelas na física de partículas e ciências de fótons por meio do confinamento nanométrico de energia eletromagnética em larga escala”.

Então, os pesquisadores desenvolveram um modelo analítico dessa classe de plasmons com base em uma estrutura cinética quântica.

Este último avanço foi feito na Universidade do Colorado em Denver com o objetivo de revolucionar nossa compreensão da física e da química.

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

– Aakash Sahai, professor assistente de engenharia elétrica na CU Denver

Sahai, junto com Kalyan Tirumalasetty, um aluno de seu laboratório que está trabalhando com ele na tecnologia, está cada vez mais perto 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. Essa inovação, que também é baseado sobre ciência dos materiais, segue a mesma linha”, acrescentou Sahai, que possui doutorado em física de plasma pela Universidade Duke e mestrado em engenharia elétrica pela Universidade Stanford.

O que tem foi alcançado neste estudo é uma maneira de criar campos eletromagnéticos extremos em laboratório que antes eram impossíveis.

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

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

Entretanto, criar campos fortes o suficiente para realizar experimentos avançados requer instalações enormes e caras.

Por exemplo, os cientistas que estudam a matéria escura usam máquinas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, CERN, que é o maior laboratório de física de partículas do mundo localizado em Suíça. O LHC é o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, envolvendo um anel de 16.7 quilômetros de ímãs supercondutores com diversas estruturas de aceleração para aumentar a energia das partículas ao longo do caminho.

Realizar experimentos em tal escala exige recursos enormes. Além de ser muito caro, pode ser altamente volátil.

Para superar esse problema, o laboratório de Sahai construiu um material semelhante a um chip, à base de 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 carros autônomos.

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

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 ajuda a manter a amostra estável e intacta.

Manipular um fluxo de energia tão alto, preservando a estrutura subjacente do material, é o grande avanço. Este avanço tecnológico 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 longos aceleradores a um chip e permitir que cientistas vejam atividades como nunca antes.

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

No entanto, as aplicações práticas e reais da tecnologia levarão anos para serem concretizadas. 

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

“Vai demorar um pouco, mas é muito provável que aconteça durante a minha vida.”

Tendo dito isto, tem grande potencial para nos ajudar a entender melhor a maneira 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 do núcleo das células, mas também do núcleo dos átomos subjacentes. Isso significa que cientistas e médicos seriam capazes de ver o que está acontecendo no nível nuclear, o que poderia acelerar nossa compreensão das imensas forças que predominam em escalas tão pequenas, além de levar a melhores tratamentos e curas médicas”, explicou. “Finalmente, poderíamos desenvolver lasers de raios gama para modificar o núcleo e remover células cancerígenas no nível nanométrico.”

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

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

Simulando o vácuo quântico com lasers ultrapoderosos

Então, 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 supermassivos buracos negros explodem em 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 raios laser intensos podem gerar luz onde não havia nenhuma, transformando um conceito teórico em realidade. 

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

Publicado em Communications Physics, o estudo⁴ detalhes usando modelagem computacional avançada para simular o quão poderosos lasers interagem com o vácuo quântico, revelando no processo como os fótons ricocheteiam uns nos outros 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 os pares virtuais de elétron-pósitron do vácuo, produzindo um novo feixe de laser no que é chamado de processo de "luz da escuridão". 

“Isto não é apenas uma curiosidade acadêmica – é um grande passo em direção à confirmação experimental de efeitos quânticos que até agora eram em grande parte teóricos.”

– O coautor do estudo, Peter Norreys, professor da Universidade de Oxford

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

Nosso programa de computador nos oferece uma janela tridimensional, com resolução temporal, para interações quânticas no vácuo que antes estavam fora de alcance. Ao aplicar nosso modelo a um experimento de espalhamento de três feixes, conseguimos capturar toda a gama de assinaturas quânticas, juntamente com insights detalhados sobre a região de interação e as principais escalas de tempo.

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

Esses modelos são usados por pesquisadores para projetar experimentos do mundo real, como formatos de laser e tempos de pulso. Além disso, as simulações podem fornecer novos insights sobre como até mesmo pequenas assimetrias na geometria do feixe podem alterar o resultado e como as interações progridem em tempo real.

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

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

Investindo em tecnologia laser

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

L3Harris Technologies (LHX ) é uma empresa importante 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 sendo negociadas atualmente a US$ 272.31, uma alta de 29% no acumulado do ano. No início deste mês, as ações da empresa atingiram uma nova máxima de US$ 280.52, uma alta de mais de 45% desde a mínima de abril. Com isso, seu lucro por ação (LPA) é de 8.96 e o ​​P/L (P/L) é de 30.27.

Os acionistas da LHX podem desfrutar de um rendimento de dividendos de 1.77%.

Em relação às finanças da empresa, a L3Harris Technologies reportou uma receita de US$ 5.4 bilhões e pedidos de US$ 8.3 bilhões no segundo trimestre de 2. A margem operacional da empresa foi de 2025% e a margem operacional ajustada do segmento foi de 10.5%. O lucro por ação diluído (LPA), por sua vez, ficou em US$ 15.9, enquanto um aumento de 2.44% no LPA diluído não GAAP o elevou a US$ 16.