Um engenheiro da Universidade de Colorado Denver está prestes a fornecer aos cientistas uma nova ferramenta que pode ajudá-los a transformar ficção científica em realidade.
Imagine um laser de raios gama seguro que poderia erradicar células cancerosas sem danificar tecidos saudáveis. Ou uma ferramenta que pudesse ajudar a determinar se a teoria do multiverso de Stephen Hawking é real, revelando a estrutura subjacente do universo.
O Professor Assistente de Engenharia Elétrica Aakash Sahai, PhD, desenvolveu uma inovação quântica que pode auxiliar no desenvolvimento dessas ideias de ficção científica e gerou um grande alvoroço na comunidade quântica devido ao seu potencial de revolucionar nossa compreensão da física, química e medicina. Tecnologias Quânticas Avançadas, uma das revistas mais impactantes nos campos da 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 a lasers, chips de computador e LEDs. Essa inovação, que também é baseada em ciência dos materiais, está na mesma linha.”
Como Funciona
Sahai encontrou uma maneira de criar campos eletromagnéticos extremos que nunca foram possíveis em laboratório. Esses campos eletromagnéticos — criados quando os 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 exigiu enormes e caros instalações. Por exemplo, cientistas que buscam evidências de matéria escura utilizam 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 comprimento. Realizar experimentos nessa escala exige enormes recursos, é incrivelmente caro e pode ser altamente volátil.
Sahai desenvolveu um material em formato de chip à base de 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 quântico de elétrons — tudo em um espaço do tamanho do 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 colisores de quilômetros para um chip.
“Manipular tal fluxo de alta energia enquanto preserva a estrutura subjacente do material é a grande inovação,” disse Kalyan Tirumalasetty, um estudante de pós-graduação no laboratório de Sahai que trabalha no projeto. “Essa inovação tecnológica pode causar uma mudança real no mundo. Trata-se de entender como a natureza funciona e utilizar esse conhecimento para fazer um impacto positivo no mundo.”
A tecnologia e o método foram projetados na CU Denver e testados no Laboratório Nacional SLAC, 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 solicitou e recebeu patentes provisórias sobre a tecnologia nos EUA e internacionalmente. Embora as aplicações práticas no mundo real possam demorar anos, o potencial para entender melhor como o universo funciona e, assim, melhorar vidas é o que mantém Sahai e Tirumalasetty motivados para passar longas horas no laboratório e no SLAC.
“Lasers de raios gama poderiam se tornar uma realidade,” disse Sahai. “Poderíamos obter imagens de tecidos que chegam não apenas ao 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 das imensas forças que dominam em escalas tão pequenas, além de levar a melhores tratamentos médicos e curas. Eventualmente, poderíamos desenvolver lasers de raios gama para modificar o núcleo e remover células cancerosas em nível nano.”
A técnica de plasmons extremos também poderia ajudar a testar uma ampla gama de teorias sobre como nosso universo funciona — desde a possibilidade de um multiverso até a exploração da própria estrutura do nosso universo. Essas possibilidades deixam Tirumalasetty empolgado, que já pensou em se tornar físico. “Explorar a natureza e como ela funciona em sua escala fundamental é muito importante para mim,” disse ele. “Mas engenheiros dão 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, desenvolver tecnologia inovadora pode levar décadas. Na verdade, alguns dos trabalhos fundamentais que levaram a este momento pivotal começaram em 2018, quando Sahai publicou sua primeira pesquisa sobre aceleradores de antimáteria. “Vai levar um tempo, mas dentro da minha vida, 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 Cálculo 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 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 avaliador de várias revistas científicas.
Kalyan Tirumalasetty está cursando seu doutorado em engenharia elétrica e um mestrado em engenharia elétrica na CU Denver, além de ter obtido um bacharelado em tecnologia em engenharia eletrônica e comunicação na Anurag Engineering College na Universidade Tecnológica de Jawaharlal Nehru. Durante seu mestrado, trabalhou como assistente de pesquisa para Sahai no desenvolvimento desse sistema tecnológico no SLAC.
