Para investigar a vida privada de objetos no domínio microscópico (e além), os cientistas geralmente contam com fontes de luz extremamente brilhantes.

Os lasers de elétrons livres que obtêm os melhores resultados aceleram os elétrons ao longo de vários quilômetros em direção à velocidade da luz, movimentando-os através de uma grande sala de ímãs para agitar pulsos intensos de fótons que iluminam os materiais para estudo.

Agora, uma equipe internacional de físicos pensa que pode conseguir o mesmo efeito com um dispositivo muito mais pequeno, utilizando quasipartículas – entidades semelhantes a partículas que emergem das interações complexas de um coletivo de outras partículas.

Se o seu conceito puder ser desenvolvido numa tecnologia viável, poderá dar a ainda mais investigadores em todo o mundo uma visibilidade incomparável das mais ínfimas estruturas que estão a estudar, produzindo conhecimentos sobre vírus, chips de computador, fotossíntese e a química das estrelas.

Os aceleradores de partículas que cabem dentro de um edifício são muito menos potentes do que aqueles como o Linac Coherent Light Source (LCLS) na Califórnia. Do tamanho de uma cidade pequena, sua longa pista de corrida de elétrons é capaz de emitir ondas de luz altamente energéticas na parte do espectro de raios X.

Mas houve progresso na miniaturização de aceleradores de partículas, especialmente quando se trata de dispositivos que aceleram partículas carregadas ou plasma.

Uma equipe de pesquisadores internacionais usou simulações de computador para demonstrar como esses aceleradores de plasma compactos poderiam produzir luz brilhante equivalente à criada por grandes aceleradores de partículas.

O truque era entender como os aceleradores de plasma geram estas quase-partículas.

Quasipartículas são sistemas coerentes que podem surgir quando meios são perturbados ou excitados. Embora formadas como um esforço coletivo, elas podem ser tratadas como partículas distintas, uma vez que possuem propriedades estáveis, como carga, massa, energia, tamanho, forma e momento.

Como as quasipartículas podem ser criadas através do movimento coordenado de uma coleção de partículas emissoras de luz que se movem através de um meio, elas podem escapar de lacunas nas leis da física que, de outra forma, restringiriam as partículas mais comuns.

Elas podem até viajar mais rápido do que a luz viajaria no mesmo meio. Isto é possível porque a luz abranda quando viaja através de qualquer coisa que não seja o vácuo, pelo que as quasipartículas podem ultrapassá-la.

“O aspecto mais fascinante das quasipartículas é a sua capacidade de se moverem de maneiras que não seriam permitidas pelas leis da física que regem as partículas individuais”, diz o físico e co-autor John Palastro.

“A flexibilidade é enorme”, diz o doutorando e primeiro autor Bernardo Malaca.

“Mesmo que cada elétron execute movimentos relativamente simples, a radiação total de todos os elétrons pode imitar a de uma partícula se movendo mais rápido do que a luz ou de uma partícula oscilante, embora não haja um único elétron localmente que esteja se movendo mais rápido do que a luz ou mesmo um elétron oscilante.”

As quasipartículas também podem criar superradiância; um feixe ultrabrilhante de fótons produzido por um conjunto de partículas trabalhando em sincronia.

Os pesquisadores mostraram que seria teoricamente possível criar essa superradiância usando quasipartículas dentro de um laser de plasma, criando comprimentos de onda entre as partes infravermelha e ultravioleta do espectro.

“Tal avanço possibilitaria trazer pesquisa e tecnologia que só estão disponíveis em um punhado de lasers de elétrons livres em todo o mundo, diretamente para muitas universidades, hospitais e laboratórios em escala industrial”, escreveram os pesquisadores.

“Consequentemente, o início da coerência temporal e da superradiância é o ingrediente essencial que falta para criar fontes de luz compactas, acessíveis e competitivas baseadas em aceleradores de plasma.”

Este artigo foi publicado na Nature Photonics.