Os raios X usados para examinar uma perna quebrada no hospital são fáceis de produzir. Na indústria, no entanto, é necessária uma radiação de raios-X de um tipo completamente diferente – ou seja, pulsos de laser de raios-X que sejam tão curtos e de alta energia quanto possível. Eles são usados, por exemplo, na produção de nanoestruturas e componentes eletrônicos, mas também para monitorar reações químicas em tempo real.
Pulsos de raios X intensos e extremamente curtos na faixa de comprimento de onda nanométrica são difíceis de produzir, mas agora um método novo e mais simples foi desenvolvido na TU Wien (Viena): o ponto de partida não é um laser de titânio-safira, que tinha usado principalmente para esse fim, mas um laser de itérbio. O truque crucial é que a luz é então enviada através de um gás para alterar suas propriedades.
Comprimentos de onda longos levam a comprimentos de onda curtos
O comprimento de onda de um feixe de laser depende do material em que é gerado: nos átomos ou moléculas envolvidos, os elétrons mudam de um estado para outro com menor energia. Isso faz com que um fóton seja emitido – seu comprimento de onda (e, portanto, sua cor) depende de quanta energia o elétron perdeu durante sua mudança de estado. Desta forma, diferentes cores de laser podem ser produzidas – do vermelho ao violeta.
No entanto, para criar feixes de laser com comprimentos de onda ainda muito menores, truques especiais devem ser empregados: primeiro, feixes de laser com um comprimento de onda longo são criados e disparados em átomos. Um elétron é arrancado do átomo e acelerado no campo elétrico do laser. Em seguida, volta e colide novamente com o átomo de onde veio – e assim pode produzir raios-X de ondas curtas. Essa técnica é chamada de “geração de alto harmônico”.
“À primeira vista, a situação parece um tanto contra-intuitiva”, diz Paolo Carpeggiani, do Instituto de Fotônica da TU Wien. “Acontece que, de fato, quanto maior o comprimento de onda do feixe de laser original, menores os comprimentos de onda que você pode alcançar no final”. No entanto, a eficiência da produção de radiação de raios X também diminui no processo: se você deseja produzir radiação de ondas muito curtas, sua intensidade fica muito baixa.
Itérbio em vez de safira de titânio, gás em vez de cristal
Até agora, esta técnica foi quase sempre empregada usando lasers de titânio-safira e, em seguida, aumentando o comprimento de onda de sua radiação com cristais especiais para gerar a radiação de raios-X mais curta possível através da Geração de Alta Harmônica. No entanto, a equipe da TU Wien desenvolveu agora um método mais simples e ao mesmo tempo mais poderoso: eles usaram um laser de itérbio. Os lasers de itérbio são mais simples, mais baratos e mais poderosos que os lasers de titânio-safira, mas até agora seu desempenho na produção de raios-x era muito inferior.
Na TU Wien, o comprimento de onda da radiação do laser de itérbio foi primeiro aumentado – não enviando essa radiação através de um cristal como de costume, mas enviando-a através de um gás molecular. “Isso aumenta drasticamente a eficiência”, diz Paolo Carpeggiani. “Ao invés dos 20% que recebíamos, conseguimos cerca de 80%.”
Com informações de Science Daily.