Avanço de Dalian em lasers: o salto da China nos lasers de elétrons livres de ultravioleta extremo

Fonte Avançada de Luz de Dalian alcança marco importante em lasers

Em uma conquista histórica para a ciência e a tecnologia mundiais, pesquisadores chineses operaram com sucesso um feixe de elétrons a uma taxa de repetição de um megahertz pela primeira vez em Dalian, na província de Liaoning. Esse avanço representa um passo decisivo para o projeto da Fonte Avançada de Luz de Dalian (DALS), uma instalação de laser de elétrons livres (FEL) de ultravioleta extremo (EUV) de nova geração. A conquista não apenas consolida a posição da China na vanguarda do desenvolvimento de fontes avançadas de luz, mas também abre novos horizontes para pesquisas em física, química, biologia e ciência dos materiais.

O que é a Fonte Avançada de Luz de Dalian e por que ela é importante?

A Fonte Avançada de Luz de Dalian foi concebida como uma instalação científica de ponta, projetada para gerar feixes de luz EUV extremamente brilhantes e coerentes por meio da tecnologia de laser de elétrons livres. Diferentemente dos lasers convencionais, os FELs usam feixes de elétrons de alta velocidade que atravessam estruturas magnéticas (chamadas onduladores) para produzir luz em comprimentos de onda inalcançáveis pelos métodos tradicionais. Isso torna os FELs especialmente adequados para investigar o mundo microscópico em escalas atômicas e moleculares, com aplicações que vão da física fundamental à fabricação avançada e às ciências da vida.

O projeto DALS é liderado pelo acadêmico Yang Xueming e pelo pesquisador Zhang Weiqing, do Instituto de Física Química de Dalian (DICP), da Academia Chinesa de Ciências. O sucesso recente de sua equipe em alcançar feixes de elétrons estáveis e com alta taxa de repetição resolve um dos desafios técnicos mais formidáveis da construção de FELs. Como a primeira instalação de FEL para usuários na China e a única no mundo a operar exclusivamente na região do EUV, a DALS está prestes a se tornar um pilar da descoberta científica e da inovação tecnológica.

Entenda os lasers de elétrons livres

Os lasers de elétrons livres são frequentemente chamados de fontes avançadas de luz de “quarta geração”. Diferentemente dos lasers tradicionais, que dependem de materiais específicos para produzir luz, os FELs usam fluxos de elétrons acelerados a velocidades próximas à da luz. Ao atravessarem onduladores, esses elétrons emitem luz que pode ser ajustada em uma ampla faixa de comprimentos de onda, do infravermelho aos raios X. Essa flexibilidade, combinada à capacidade de gerar pulsos ultracurtos e brilho extremamente alto, permite aos FELs capturar processos ultrarrápidos e revelar estruturas em nível atômico.

A Fonte de Luz Coerente de Dalian (DCLS), antecessora da DALS, já demonstrou o potencial dos FELs ao fornecer feixes ópticos na faixa de 50 a 150 nm, com duração de pulso de apenas 100 femtossegundos (um quadrilionésimo de segundo). Esses recursos permitem que cientistas observem, em tempo real, a dinâmica eletrônica, a evolução molecular e as transições de fase dos materiais.

Como o avanço foi alcançado?

O marco recente em Dalian foi resultado de anos de esforço colaborativo e inovação tecnológica. Desde o lançamento do projeto, em 2020, o DICP e o Instituto de Instalações Avançadas de Fontes de Luz, em Shenzhen, vêm trabalhando juntos para desenvolver um conjunto de tecnologias essenciais para a operação de FELs. Entre elas estão:

• Um canhão de elétrons com fotocátodo capaz de gerar feixes de elétrons de alta qualidade
• Sistemas de laser ultrarrápidos para controle e sincronização precisos
• Fontes de radiofrequência de estado sólido para aceleração estável
• Módulos aceleradores supercondutores que permitem operação em onda contínua
• Sistemas criogênicos de refrigeração com hélio para manter a supercondutividade

Gerar feixes de elétrons a uma taxa de repetição de um megahertz (um milhão de ciclos por segundo) é particularmente desafiador devido à necessidade de garantir estabilidade e qualidade. Alcançar esse feito demonstra que a equipe de Dalian dominou as principais tecnologias necessárias para os FELs de nova geração.

Segundo a equipe de pesquisa, esse sucesso “estabelece uma base sólida para a construção futura do projeto” e representa um avanço significativo no esforço mais amplo da China para desenvolver instalações de FEL de ponta.

Impacto científico e tecnológico: por que os FELs são revolucionários

Os lasers de elétrons livres, como a DALS, estão revolucionando a pesquisa científica ao oferecer ferramentas antes inimagináveis. A capacidade de gerar luz coerente, ajustável e ultrabrilhante nas regiões do EUV e dos raios X permite que cientistas:

• Investiguem a estrutura e a dinâmica de moléculas e materiais com resolução atômica
• Estudem reações químicas ultrarrápidas e processos biológicos em tempo real
• Desenvolvam técnicas avançadas de imagem para a medicina e a ciência dos materiais
• Apoiem a fabricação de semicondutores de nova geração por meio da litografia EUV

Por exemplo, a Fonte de Luz Coerente de Dalian possibilitou experimentos em fotoquímica molecular, espectrometria de massas de aerossóis e espectrometria de massas biológica. Ao introduzir feixes de laser EUV na espectrometria de massas de alta resolução, pesquisadores conseguem dissociar biomoléculas complexas com eficiência e obter informações estruturais detalhadas, impulsionando áreas como a proteômica e a descoberta de medicamentos.

A visão estratégica da China para a tecnologia FEL

A China identificou a tecnologia FEL como uma prioridade estratégica para o desenvolvimento científico e tecnológico. De acordo com as estratégias nacionais de desenvolvimento, o país pretende alcançar avanços em FELs de ondas longas, FELs de raios X e fontes de luz para litografia EUV baseada em FEL até 2035. Esses esforços são apoiados por maiores investimentos em pesquisa fundamental, cooperação entre múltiplas partes e foco na inovação independente.

O Instituto de Física Química de Dalian, em particular, tem uma longa trajetória de pesquisas pioneiras em catálise, engenharia química e tecnologia de laser. Sua liderança no projeto DALS reflete o compromisso da China com a construção de infraestrutura científica de nível mundial e a formação de uma nova geração de talentos científicos.

Comparação entre a DALS e instalações de fontes de luz pelo mundo

Em todo o mundo, várias instalações avançadas de fontes de luz transformaram as pesquisas em biologia estrutural, ciência dos materiais e química. Entre os exemplos de destaque estão a Fonte de Luz Suíça e o SwissFEL, na Suíça, que possibilitaram estudos de macromoléculas com alto rendimento e alta resolução. O projeto DALS, porém, ocupa uma posição única como instalação de FEL de EUV com operação em onda contínua e altas taxas de repetição, oferecendo recursos que complementam e ampliam os das fontes síncrotron e de FEL já existentes.

A maioria das instalações de FEL do mundo opera nas regiões dos raios X ou dos raios X moles, enquanto a DALS foi projetada para fornecer luz EUV coerente com resolução temporal e espacial excepcional. Isso a torna especialmente valiosa para estudar processos que envolvem elétrons de valência e para aplicações em fabricação avançada, como a litografia EUV na produção de semicondutores.

Implicações mais amplas para a ciência, a indústria e a sociedade

O desenvolvimento bem-sucedido da DALS tem implicações de longo alcance que vão além da pesquisa básica. No campo da energia limpa e da tecnologia ambiental, o Instituto de Física Química de Dalian já demonstrou protagonismo por meio de inovações em catálise, engenharia química e armazenamento de energia. Os recursos avançados da DALS vão ampliar ainda mais as pesquisas nessas áreas, permitindo projetar catalisadores mais eficientes, estudar processos de conversão de energia e desenvolver novos materiais para tecnologias sustentáveis.

Na indústria, as fontes de luz EUV baseadas em FEL são fundamentais para a próxima geração de fabricação de semicondutores. À medida que os fabricantes de chips ampliam os limites da miniaturização, a litografia EUV tornou-se essencial para produzir circuitos integrados menores, mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos. Ao dominar as principais tecnologias por trás dos FELs, a China se posiciona como líder na cadeia global de fornecimento de semicondutores.

Formação da próxima geração de cientistas e engenheiros

Grandes instalações científicas como a DALS também servem como centros de formação para jovens cientistas e engenheiros. Ao participar de pesquisas de ponta e do desenvolvimento tecnológico, estudantes e pesquisadores em início de carreira adquirem uma experiência inestimável, que os prepara para assumir posições de liderança na academia, na indústria e no governo. Essa formação de talentos é essencial para sustentar a inovação e garantir que a China permaneça na vanguarda da descoberta científica.

Desafios e próximos passos

Apesar do avanço recente, ainda há desafios significativos na construção e na operação da Fonte Avançada de Luz de Dalian. Manter feixes de elétrons estáveis e de alta qualidade em taxas de repetição de megahertz exige avanços contínuos na tecnologia de aceleradores, na criogenia e nos sistemas de controle. Além disso, integrar a instalação à comunidade científica mais ampla e garantir acesso aberto a pesquisadores será fundamental para maximizar seu impacto.

A estratégia nacional da China para a tecnologia FEL enfatiza a importância de investimentos contínuos, colaboração entre instituições e aplicação prática das conquistas científicas. À medida que a DALS passar do protótipo à operação em escala plena, servirá de modelo para futuros grandes projetos científicos na China e no mundo.

Em resumo

• Cientistas chineses em Dalian alcançaram um feito inédito no mundo ao operar de forma estável um feixe de elétrons a uma taxa de repetição de um megahertz, marco importante para o projeto da Fonte Avançada de Luz de Dalian (DALS).
• A DALS é uma instalação de laser de elétrons livres de ultravioleta extremo de nova geração, projetada para fornecer luz coerente e ultrabrilhante para pesquisas de ponta em física, química, biologia e ciência dos materiais.
• O avanço foi possibilitado por melhorias em canhões de elétrons com fotocátodo, lasers ultrarrápidos, aceleradores supercondutores e sistemas criogênicos, desenvolvidos por meio da colaboração entre o Instituto de Física Química de Dalian e parceiros em Shenzhen.
• Lasers de elétrons livres como a DALS estão revolucionando a pesquisa científica e as aplicações industriais, incluindo a fabricação de semicondutores e a tecnologia de energia limpa.
• O foco estratégico da China na tecnologia FEL busca garantir sua liderança em fontes avançadas de luz, promover a inovação e formar a próxima geração de talentos científicos.