Em uma encosta acima da Universidade de Stanford, o SLAC National Accelerator Laboratory opera um instrumento cienta­fico de quase 2 quila´metros de comprimento. Neste acelerador gigante, um fluxo de elanãtrons flui atravanãs de um tubo de va¡cuo, enquanto rajadas de radiação de microondas empurram aspartículas cada vez mais rapidamente para frente atéque sua velocidade se aproxime da velocidade da luz, criando um feixe poderoso que cientistas de todo o mundo usam para sondar o estruturas atômicas e moleculares de materiais inorga¢nicos e biola³gicos.

Agora, pela primeira vez, cientistas de Stanford e SLAC criaram um chip de sila­cio que pode acelerar elanãtrons - ainda que em uma fração da velocidade desse instrumento macia§o - usando um laser infravermelho para fornecer, em menos de uma largura de cabelo, o tipo de aumento de energia que leva microondas muitos metros.

Escrevendo na edição de 3 de janeiro da revista Science , uma equipe liderada pela engenheira elanãtrica Jelena Vuckovic explicou como eles esculpiram um canal em nanoescala de sila­cio, o selaram no va¡cuo e enviaram elanãtrons por essa cavidade enquanto pulsos de luz infravermelha - a  qual o sila­cio étão transparente quanto o vidro a  luz visível - foram transmitidos pelas paredes do canal para acelerar os elanãtrons.

O acelerador em um chip demonstrado na Science éapenas um prota³tipo, mas Vuckovic disse que suas técnicas de design e fabricação podem ser ampliadas para fornecer feixes departículas acelerados o suficiente para realizar experimentos de ponta em química, ciência de materiais e descoberta biológica que não requer o poder de um acelerador macia§o.

“Os maiores aceleradores são como telesca³pios poderosos. Existem poucos no mundo e os cientistas precisam ir a lugares como o SLAC para usa¡-los ”, disse Vuckovic. "Queremos miniaturizar a tecnologia do acelerador de uma maneira que a torne uma ferramenta de pesquisa mais acessa­vel".

Os membros da equipe comparam sua abordagem a  maneira como a computação evoluiu do mainframe para o PC menor, mas ainda útil. A tecnologia do acelerador no chip também pode levar a novas terapias de radiação contra o ca¢ncer, disse o fa­sico Robert Byer , co-autor do artigo da Science . Novamente, éuma questãode tamanho. Atualmente, as ma¡quinas de raios X médicas preenchem uma sala e emitem um feixe de radiação difa­cil de se concentrar nos tumores, exigindo que os pacientes usem escudos de chumbo para minimizar os danos colaterais.

"Neste artigo, comea§amos a mostrar como épossí­vel enviar radiação de feixe de elanãtrons diretamente para um tumor, deixando tecidos sauda¡veis ​​inalterados", disse Byer, que lidera o Acelerador em um Programa Internacional de Chip, ou ACHIP, um esfora§o mais amplo do qual esta pesquisa atual éuma parte.

Design inverso

Em seu artigo, Vuckovic e o estudante de graduação Neil Sapra, o primeiro autor, explicam como a equipe construiu um chip que dispara pulsos de luz infravermelha atravanãs do sila­cio para atingir elanãtrons no momento certo e no a¢ngulo certo, para movaª-los adiante apenas um pouco mais rápido do que antes.

Para isso, eles viraram o processo de design de cabea§a para baixo. Em um acelerador tradicional, como o do SLAC, os engenheiros geralmente elaboram um projeto ba¡sico e executam simulações para organizar fisicamente as rajadas de microondas para fornecer a maior aceleração possí­vel. Mas as microondas medem 4 polegadas do pico ao vale, enquanto a luz infravermelha tem um comprimento de onda de um danãcimo da largura de um cabelo humano. Essa diferença explica por que a luz infravermelha pode acelerar elanãtrons em distâncias tão curtas em comparação com as microondas. Mas isso também significa que os recursos fa­sicos do chip devem ser 100.000 vezes menores que as estruturas de cobre de um acelerador tradicional. Isso exige uma nova abordagem de engenharia baseada em fota´nica e litografia integradas em silicone.

A equipe de Vuckovic resolveu o problema usando algoritmos de design inverso que seu laboratório desenvolveu. Esses algoritmos permitiram que os pesquisadores trabalhassem para trás, especificando quanta energia luminosa eles queriam que o chip fornecesse e encarregando o software de sugerir como construir as estruturas em nanoescala corretas necessa¡rias para colocar os fa³tons em contato adequado com o fluxo de elanãtrons.

"a€s vezes, projetos inversos podem produzir soluções nas quais um engenheiro humano talvez não tenha pensado", disse R. Joel England, cientista da equipe do SLAC e coautor do artigo da Science .

O algoritmo de design surgiu com um layout de chip que parece quase de outro mundo. Imagine mesas em nanoescala, separadas por um canal, gravadas em sila­cio. Os elanãtrons que fluem atravanãs do canal passam por uma sanãrie de fios de sila­cio, atravessando a parede do desfiladeiro em locais estratanãgicos. Cada vez que o laser pulsa - o que éfeito 100.000 vezes por segundo - uma explosão de fa³tons atinge um monte de elanãtrons, acelerando-os para a frente. Tudo isso ocorre em menos do que a largura de um fio de cabelo, nasuperfÍcie de um chip de silicone selado a va¡cuo, fabricado por membros da equipe de Stanford.

Os pesquisadores querem acelerar os elanãtrons para 94% da velocidade da luz, ou 1 milha£o de elanãtron-volts (1MeV), para criar um fluxo departículas poderoso o suficiente para fins médicos ou de pesquisa. Esse chip prota³tipo fornece apenas um aºnico esta¡gio de aceleração e o fluxo de elanãtrons precisaria passar por cerca de 1.000 desses esta¡gios para atingir 1MeV. Mas isso não étão assustador quanto parece, disse Vuckovic, porque esse prota³tipo de acelerador em um chip éum circuito totalmente integrado. Isso significa que todas as funções cra­ticas necessa¡rias para criar aceleração são incorporadas diretamente ao chip e o aumento de seus recursos deve ser razoavelmente direto.

Os pesquisadores planejam reunir mil esta¡gios de aceleração em cerca de uma polegada de espaço de chip atéo final de 2020 para atingir sua meta de 1MeV. Embora esse fosse um marco importante, esse dispositivo ainda empalideceria ao lado dos recursos do acelerador de pesquisa SLAC, que pode gerar na­veis de energia 30.000 vezes maiores que 1MeV. Byer acredita que, assim como os transistores eventualmente substitua­ram os tubos de va¡cuo nos eletra´nicos, os dispositivos baseados em luz um dia desafiara£o as capacidades dos aceleradores de microondas.

Enquanto isso, na expectativa de desenvolver um acelerador de 1MeV em um chip, o engenheiro elanãtrico Olav Solgaard , co-autor do artigo, já começou a trabalhar em uma possí­vel aplicação de combate ao ca¢ncer. Hoje, elanãtrons altamente energizados não são usados ​​para radioterapia porque queimam a pele. Solgaard estãotrabalhando em uma maneira de canalizar elanãtrons de alta energia de um acelerador do tamanho de um chip atravanãs de um tubo de va¡cuo do tipo cateter que pode ser inserido abaixo da pele, ao lado de um tumor, usando o feixe departículas para administrar a radioterapia cirurgicamente.

"Podemos obter benefa­cios médicos com a miniaturização da tecnologia do acelerador, além das aplicações de pesquisa", disse Solgaard.