Um engenheiro da Universidade de Colorado Denver está prestes a fornecer aos cientistas uma nova ferramenta que pode ajudar a transformar ficção científica em realidade.
Imagine um laser de gama seguro que poderia erradicar células cancerígenas sem danificar o tecido saudável. Ou uma ferramenta que poderia ajudar a determinar se a teoria do multiverso de Stephen Hawking é real ao revelar a estrutura subjacente do universo.
O professor assistente de Engenharia Elétrica Aakash Sahai, PhD, desenvolveu uma inovação quântica que pode ajudar a desenvolver essas ideias de ficção científica e gerou um alvoroço na comunidade quântica devido ao seu potencial de revolucionar nossa compreensão da física, química e medicina. Advanced Quantum Technologies, uma das revistas mais impactantes nas áreas de ciência quântica, materiais e tecnologias, reconheceu o trabalho de Sahai e apresentou seu estudo na capa da edição de junho.
“É muito empolgante porque essa tecnologia abrirá novos campos de estudo e terá um impacto direto no mundo”, disse Sahai. “No passado, tivemos avanços tecnológicos que nos impulsionaram para frente, como a estrutura subatômica que levou ao desenvolvimento de lasers, chips de computador e LEDs. Esta inovação, que também se baseia na ciência dos materiais, está na mesma linha.”
Como Funciona
Sahai encontrou uma maneira de criar campos eletromagnéticos extremos nunca antes possíveis em um laboratório. Esses campos eletromagnéticos — criados quando elétrons em materiais vibram e se movem a velocidades incrivelmente altas — alimentam tudo, desde chips de computador até supercolisores de partículas que buscam evidências de matéria escura. Até agora, criar campos fortes o suficiente para experimentos avançados exigia enormes e caros instalações. Por exemplo, cientistas que buscam evidências de matéria escura usam máquinas como o Grande Colisor de Hádrons no CERN, a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear, na Suíça. Para acomodar as cavidades de radiofrequência e os ímãs supercondutores necessários para acelerar feixes de alta energia, o colisor tem 26,7 quilômetros de extensão. Realizar experimentos nessa escala exige enormes recursos, é incrivelmente caro e pode ser muito volátil.
Sahai desenvolveu um material semelhante a um chip, baseado em silício, que pode suportar feixes de partículas de alta energia, gerenciar o fluxo de energia e permitir que os cientistas acessem os campos eletromagnéticos criados pelas oscilações, ou vibrações, do gás eletrônico quântico — tudo em um espaço do tamanho de seu polegar. O movimento rápido cria os campos eletromagnéticos. Com a técnica de Sahai, o material gerencia o fluxo de calor gerado pela oscilação e mantém a amostra intacta e estável. Isso oferece aos cientistas uma maneira de observar atividades como nunca antes e abre a possibilidade de reduzir coliders de quilômetros de comprimento para um chip.
“Manipular um fluxo de energia tão alta enquanto preserva a estrutura subjacente do material é a grande inovação”, disse Kalyan Tirumalasetty, um estudante de doutorado no laboratório de Sahai que trabalha no projeto. “Essa inovação em tecnologia pode provocar uma real mudança no mundo. Trata-se de entender como a natureza funciona e utilizar esse conhecimento para fazer um impacto positivo.”
A tecnologia e o método foram projetados na CU Denver e testados no SLAC National Accelerator Laboratory, uma instalação de classe mundial operada pela Universidade de Stanford e financiada pelo Departamento de Energia dos EUA.
Aplicações dessa Tecnologia
A CU Denver já se aplicou e recebeu patentes provisionais sobre a tecnologia nos EUA e internacionalmente. Embora as aplicações práticas e do mundo real possam estar a anos de distância, o potencial para compreender melhor como o universo funciona e, assim, melhorar vidas, é o que mantém Sahai e Tirumalasetty motivados a passar longas horas no laboratório e no SLAC.
“Lasers de gama poderiam se tornar uma realidade”, disse Sahai. “Poderíamos obter imagens de tecidos que alcançam não apenas o núcleo das células, mas até o núcleo dos átomos subjacentes. Isso significa que cientistas e médicos seriam capazes de ver o que está acontecendo em nível nuclear e isso poderia acelerar nossa compreensão de forças imensas que dominam em escalas tão pequenas, levando também a melhores tratamentos e curas médicas. Eventualmente, poderíamos desenvolver lasers de gama para modificar o núcleo e remover células cancerígenas em nível nano.”
A técnica de plasmon extremo também poderia ajudar a testar uma ampla gama de teorias sobre como nosso universo funciona — desde a possibilidade de um multiverso até explorar a própria estrutura de nosso universo. Essas possibilidades entusiasmam Tirumalasetty, que um dia pensou em se tornar físico. “Explorar a natureza e como ela funciona em sua escala fundamental é muito importante para mim”, disse ele. “Mas os engenheiros fornecem aos cientistas as ferramentas para fazer mais do que entender. E isso… isso é emocionante.”
O próximo passo para a dupla é retornar ao SLAC neste verão para continuar refinando o material de chip de silício e a técnica do laser. Ao contrário dos filmes, o desenvolvimento de tecnologia inovadora pode levar décadas. De fato, alguns dos trabalhos fundamentais que levaram a este momento crucial começaram em 2018, quando Sahai publicou sua primeira pesquisa sobre aceleradores de antimatéria. “Vai levar um tempo, mas durante minha vida, isso é muito provável”, disse Sahai.
Sobre os Pesquisadores
Aakash Sahai possui um PhD em física de plasmas pela Universidade Duke, um mestrado em engenharia elétrica pela Universidade Stanford e um mestrado em física pela Universidade de Indiana, Bloomington. Ele é membro do Grupo de Eletromagnetismo, Plasmas e Computação na Faculdade de Engenharia, Design e Computação da CU Denver. Antes de ingressar na CU Denver em 2018, trabalhou como associado de pesquisa no Imperial College London e ocupou cargos de pesquisa e desenvolvimento no setor privado. Sahai já publicou mais de uma dúzia de artigos em revistas revisadas por pares e é um palestrante frequente em eventos do SLAC, CERN e da Sociedade Americana de Física. Ele também atua como revisor de várias revistas científicas.
Kalyan Tirumalasetty está cursando seu doutorado em engenharia elétrica e um mestrado em engenharia elétrica na CU Denver, além de uma graduação em engenharia eletrônica e de comunicação no Anurag Engineering College na Universidade Tecnológica de Jawaharlal Nehru. Durante seu mestrado, trabalhou como assistente de pesquisa para Sahai no desenvolvimento deste arranjo tecnológico no SLAC.
