Elektroner, der surfer på en laserstråle

The Large Hadron Collider ved CERN i Schweiz, den største accelerator i verden, har en omkreds på omkring 26 kilometer. Forskere ved Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Tyskland, forsøger at gå til den anden yderlighed ved at bygge verdens mindste accelerator - en, der passer på en mikrochip. Forskerholdet har nu taget endnu et skridt i retning af at nå denne ambition.

Den grundlæggende idé er at gøre det muligt for forskere at bruge laserstråler til at accelerere elektroner. Hvad der lyder vildledende simpelt i teorien, rejser en hel række udfordringer i praksis, strækker sig over forskellige fysikområder. For eksempel, forskerne skal være i stand til at styre lysets svingninger og elektronernes bevægelse med stor præcision for at sikre, at de mødes i det helt rigtige øjeblik.

En måde at forestille sig dette på er at forestille sig et skib på et stormfuldt hav; for sikkert at bestige en bølge og komme ned på dens anden side, rorsmanden skal holde øje med den modgående bølge og vurdere, hvornår den møder fartøjet. Lige så afgørende er det for FAU's hold af forskere at konstatere, hvornår og hvor den maksimale top af en lysbølge vil ramme en pakke elektroner, så de kan påvirke resultatet i en meget specifik grad. Det betyder, at de skal gøre det muligt for lys og elektroner at falde sammen inden for 'attosekunder' - dvs. en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund.

I en spændende første, det er præcis, hvad forskningsgruppen ledet af Dr. Peter Hommelhoff har opnået. Holdet har udviklet en ny teknik, der involverer skæringen af ​​to laserstråler, der oscillerer ved forskellige frekvenser for at generere et optisk felt, hvis egenskaber forskerne kan påvirke i en ekstremt præcis grad. Nøgleegenskaben ved dette optiske felt er, at det bevarer kontakten med elektronerne, bevæger sig effektivt med dem - en vandrende bølge - så elektronerne kontinuerligt kan fornemme, eller 'surf, ' det optiske felt. På denne måde det optiske felt overfører sine egenskaber nøjagtigt til partiklerne.

Denne proces får ikke kun partiklerne til at reflektere feltstrukturen præcist, det accelererer dem også i påfaldende høj grad. Denne effekt er afgørende for miniaturepartikelacceleratoren, da det relaterer sig til hvor meget energi der kan overføres til elektronerne og over hvilken afstand. Accelerationsgradienten, som angiver den maksimale målte elektronenergiforstærkning i forhold til tilbagelagt afstand, når den ekstremt høje værdi på 2,2 giga-elektron-volt per meter, meget højere end hvad der opnås med konventionelle acceleratorer. Imidlertid, den accelerationsafstand på kun 0,01 millimeter, der i øjeblikket er til rådighed for forskerholdet i Erlangen, er ikke tilstrækkelig til, at de kan generere den nødvendige energi til praktiske anvendelser. "På trods af dette, til partikelacceleratorer i medicin, vi behøver kun en lille accelerationslængde på mindre end en millimeter, " forklarer Dr Martin Kozák, som udførte laboratorieforsøget.

Projektleder Prof. Dr. Peter Hommelhoff ved FAU anser acceleratorminiaturisering for at være en teknisk revolution analog med miniaturisering af computere. "Denne tilgang vil forhåbentlig gøre os i stand til at gøre denne innovative partikelaccelerationsteknik anvendelig i en række forskningsområder og anvendelsesområder såsom materialevidenskab, biologi og medicin - et eksempel kan være partikelterapier til kræftpatienter."