&bala; Física 18, 2
Disparar um pulso de laser em um alvo prateado poroso gera raios X mais intensos do que os alvos anteriores, o que ajudará nos estudos da matéria em condições extremas.
Os físicos contam com intensas rajadas de raios X de alta energia para observar o progresso dos experimentos de fusão e para sondar a dinâmica da matéria sob condições de temperatura e pressão extremas. As técnicas atuais para gerar tais rajadas envolvem o disparo de um pulso de laser em um alvo materials, mas normalmente transformam apenas uma pequena fração da energia do laser em raios X utilizáveis, limitando assim a energia e a intensidade da rajada. Agora os pesquisadores demonstraram uma duplicação da eficiência usando um alvo feito de espuma metálica de baixa densidade (1). Eles esperam que os novos alvos levem a explosões de raios X muito mais brilhantes, capazes de iluminar processos físicos extremos sob condições que antes eram inacessíveis às observações de raios X.
Quando um poderoso pulso de laser atinge uma folha de materials como a prata, o laser take away os elétrons, deixando expostos os núcleos altamente carregados. Os elétrons circundantes então voltam aos níveis de energia mais baixos, criando raios X de alta energia. No entanto, a maior parte da energia do laser pode ser perdida no processo e a eficiência geral é muito sensível à natureza do materials alvo. Os investigadores descobriram, por exemplo, que os alvos sólidos geralmente produzem baixa eficiência, uma vez que os raios X emergem apenas de um pequeno quantity próximo da superfície, enquanto a energia do laser é consumida pela agitação de ondas de plasma no materials. Esta baixa eficiência limita a intensidade dos raios X.
O uso de um materials de densidade mais baixa poderia permitir que o pulso de laser viajasse inteiramente através da amostra, gerando raios X a partir de uma fração maior do materials alvo. Assim, os pesquisadores exploraram a geração de raios X usando alvos de baixa densidade, como gases e materiais porosos chamados aerogéis. Contudo, os gases só geram raios X num número limitado de frequências, e os aerogéis não são muito eficientes porque apenas uma pequena fração do materials é metálica e, portanto, capaz de produzir raios X.
LLNL
Agora, Mark Might e colegas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), na Califórnia, demonstraram uma técnica que utiliza um novo tipo de alvo – uma espuma de baixa densidade que consiste principalmente de metallic e espaço vazio. Eles usaram um molde para criar alvos cilíndricos de 4 mm de largura feitos de nanofios de prata, cada um com cerca de 150 µm de comprimento e 30 nm de diâmetro. Nos testes, os pesquisadores mostraram que seus alvos têm uma densidade uniforme, livre de grandes vazios. O processo de fabricação envolve produtos químicos orgânicos e adiciona carbono, nitrogênio e oxigênio ao materials, mas a equipe descobriu que 52% dos átomos nos alvos eram de prata. Esta fração é muito maior do que a dos alvos de aerogel anteriores.
Outras experiências mostraram que estes alvos produzem uma melhoria significativa na eficiência da geração de raios X. Pesquisadores do LLNL normalmente usam os lasers do Nationwide Ignition Facility para experimentos em busca de fusão por confinamento inercial, com os lasers conduzindo a implosão de uma pequena pelota de hidrogênio. Might e colegas usaram os mesmos lasers para irradiar vários de seus alvos de espuma metálica, com cada pulso fazendo com que o alvo explodisse e o plasma resultante aquecesse em algumas dezenas de picossegundos. Os pesquisadores então mediram o espectro de raios X resultante.
Eles registraram resultados de cinco disparos de laser e descobriram que a eficiência geral de geração de raios X exibiu um máximo de 0,8% usando uma densidade alvo de cerca de 9,6 mg/cm3. Resultados anteriores para alvos feitos de cavidades metálicas finas mostraram eficiências não superiores a 0,35%, indicando que a espuma metálica mais que duplica a fração da energia do laser que vai para os raios X.
Might e colegas também compararam suas medições experimentais com os resultados de simulações da interação laser-plasma e da geração de raios X resultante. Eles esperam usar algumas discrepâncias observadas para melhorar os modelos e ajudar a orientar pesquisas futuras.
“Esta é uma conquista excelente”, diz Ryosuke Kodama, diretor do Instituto de Engenharia Laser da Universidade de Osaka, no Japão. Os nanofios foram explorados como uma opção há décadas para raios X de baixa energia, diz ele, mas este trabalho combina abordagens anteriores de uma nova forma. “Ele consegue gerar certos raios laser-plasma de forma mais eficiente com uma combinação engenhosa de técnicas.”
–Mark Buchanan
Mark Buchanan é um escritor científico freelance que divide seu tempo entre Abergavenny, no Reino Unido, e Notre Dame de Courson, na França.
Referências
- MJ maio e outros.“Transporte de energia térmica em espumas de nanofios de prata metálicas de alta eficiência de conversão de raios X acionadas por laser,” Física. Rev. 111015201 (2025).
