Forskere bygger en partikelaccelerator, der passer på en chip

På en bjergskråning over Stanford University, SLAC National Accelerator Laboratory driver et videnskabeligt instrument, der er næsten 3 km langt. I denne kæmpe accelerator, en strøm af elektroner strømmer gennem et vakuumrør, som udbrud af mikrobølgestråling skubber partiklerne stadig hurtigere frem, indtil deres hastighed nærmer sig lysets hastighed, skaber en kraftig stråle, som forskere fra hele verden bruger til at undersøge atomiske og molekylære strukturer af uorganiske og biologiske materialer.

Nu, for første gang, forskere ved Stanford og SLAC har skabt en siliciumchip, der kan accelerere elektroner - omend med en brøkdel af hastigheden på det massive instrument - ved hjælp af en infrarød laser til at levere, i mindre end et hårs bredde, den slags energiboost, der tager mikrobølger mange fod.

Skriver i 3. januar -udgaven af Videnskab , et team ledet af elingeniør Jelena Vuckovic forklarede, hvordan de skåret en nanoskala kanal ud af silicium, forseglede det i et vakuum og sendte elektroner gennem dette hulrum, mens impulser af infrarødt lys - hvortil silicium er lige så gennemsigtigt som glas er for synligt lys - blev overført af kanalvæggene for at fremskynde elektronerne.

Acceleratoren-på-en-chip demonstreret i Videnskab er bare en prototype, men Vuckovic sagde, at dets design og fremstillingsteknikker kan skaleres op for at levere partikelstråler, der er accelereret nok til at udføre banebrydende eksperimenter inden for kemi, materialevidenskab og biologisk opdagelse, der ikke kræver kraften fra en massiv accelerator.

"De største acceleratorer er som kraftige teleskoper. Der er kun få i verden, og forskere skal komme til steder som SLAC for at bruge dem, "Vuckovic sagde." Vi ønsker at miniaturisere acceleratorteknologi på en måde, der gør det til et mere tilgængeligt forskningsværktøj. "

Teammedlemmer sammenligner deres tilgang til den måde, computing udviklede sig fra mainframe til den mindre, men stadig nyttige pc. Accelerator-on-a-chip-teknologi kan også føre til nye kræftstrålebehandlinger, sagde fysiker Robert Byer, medforfatter af Videnskab papir. Igen, det er et spørgsmål om størrelse. I dag, medicinske røntgenapparater fylder et rum og leverer en stråle, der er svær at fokusere på tumorer, kræver, at patienter bærer blyskærme for at minimere sikkerhedsskader.

"I dette papir begynder vi at vise, hvordan det kan være muligt at levere elektronstråle stråling direkte til en tumor, efterlader sundt væv upåvirket, sagde Byer, der leder Accelerator på et Chip International Program, eller ACHIP, en bredere indsats, som denne aktuelle forskning er en del af.

Omvendt design

I deres papir, Vuckovic og kandidatstuderende Neil Sapra, den første forfatter, forklare, hvordan teamet byggede en chip, der affyrer pulser af infrarødt lys gennem silicium for at ramme elektroner på det helt rigtige tidspunkt, og lige den rigtige vinkel, at flytte dem bare lidt hurtigere frem end før.

For at opnå dette, de vendte op og ned på designprocessen. I en traditionel accelerator, ligesom den hos SLAC, ingeniører udarbejder generelt et grundlæggende design, kør derefter simuleringer for fysisk at arrangere mikrobølgeudbrudene for at levere størst mulig acceleration. Men mikrobølger måler 4 tommer fra top til trug, mens infrarødt lys har en bølgelængde en tiendedel af et menneskehårs bredde. Denne forskel forklarer, hvorfor infrarødt lys kan accelerere elektroner på så korte afstande i forhold til mikrobølger. Men det betyder også, at chipens fysiske egenskaber skal være 100, 000 gange mindre end kobberstrukturer i en traditionel accelerator. Dette kræver en ny tilgang til teknik baseret på siliciumintegreret fotonik og litografi.

Vuckovics team løste problemet ved hjælp af inverse designalgoritmer, som hendes laboratorium har udviklet. Disse algoritmer tillod forskerne at arbejde baglæns, ved at angive, hvor meget lysenergi de ønskede, at chippen skulle levere, og pålægge softwaren at foreslå, hvordan man bygger de rigtige nanoskala strukturer, der kræves for at bringe fotoner i korrekt kontakt med elektronstrømmen.

"Sommetider, omvendt design kan producere løsninger, som en menneskelig ingeniør måske ikke havde tænkt på, "sagde R. Joel England, en SLAC-videnskabsmand og medforfatter på Videnskab papir.

Designalgoritmen kom med et chiplayout, der virker næsten uden for verden. Forestil dig nanoskala mesas, adskilt af en kanal, ætset ud af silicium. Elektroner, der strømmer gennem kanalen, driver en kappe af siliciumtråde, stikker gennem canyonvæggen på strategiske steder. Hver gang laseren pulserer - hvilket den gør 100, 000 gange i sekundet - et udbrud af fotoner rammer en masse elektroner, fremskynde dem. Alt dette sker i mindre end et hårs bredde, på overfladen af ​​en vakuumforseglet siliciumchip, lavet af teammedlemmer i Stanford.

Forskerne ønsker at accelerere elektroner til 94 procent af lysets hastighed, eller 1 million elektronvolt (1MeV), at skabe en partikelstrøm, der er stærk nok til forskning eller medicinske formål. Denne prototype -chip giver kun et enkelt accelerationstrin, og elektronstrømmen skulle passere omkring 1, 000 af disse faser for at opnå 1MeV. Men det er ikke så skræmmende, som det kan virke, sagde Vuckovic, fordi denne prototype accelerator-on-a-chip er et fuldt integreret kredsløb. Det betyder, at alle de kritiske funktioner, der er nødvendige for at skabe acceleration, er bygget ind i chippen, og at øge dens kapaciteter burde være rimelig ligetil.

Forskerne planlægger at pakke tusind trin af acceleration i omtrent en tomme chipplads inden udgangen af ​​2020 for at nå deres 1MeV -mål. Selvom det ville være en vigtig milepæl, en sådan enhed ville stadig blegne ved siden af ​​SLAC -forskningsacceleratorens muligheder, som kan generere energiniveauer 30, 000 gange større end 1MeV. Men Byer mener, at ligesom transistorer til sidst erstattede vakuumrør i elektronik, lysbaserede enheder vil en dag udfordre mulighederne for mikrobølge-drevne acceleratorer.

I mellemtiden, i forventning om at udvikle en 1MeV -accelerator på en chip, elektroingeniør Olav Solgaard, en medforfatter på papiret, har allerede påbegyndt arbejdet med en mulig kræftbekæmpende ansøgning. I dag, stærkt energiserede elektroner bruges ikke til strålebehandling, fordi de ville brænde huden. Solgaard arbejder på en måde at kanalisere elektroner med høj energi fra en chipstørrelsesaccelerator gennem et kateterlignende vakuumrør, der kan indsættes under huden, lige ved siden af ​​en tumor, ved hjælp af partikelstrålen til at administrere strålebehandling kirurgisk.

"Vi kan udlede medicinske fordele ved miniaturisering af acceleratorteknologi ud over forskningsapplikationer, "Sagde Solgaard.