Fysikere styrer strømmen af ​​elektronpulser gennem en nanostrukturkanal

Partikelacceleratorer er vigtige værktøjer inden for forskningsområder som biologi, materialevidenskab og partikelfysik. Forskere leder altid efter mere kraftfulde måder at accelerere partikler på for at forbedre eksisterende udstyr og øge kapaciteten til eksperimenter. En sådan kraftfuld teknologi er dielektrisk laseracceleration (DLA). I denne tilgang, partikler accelereres i det optiske nærfelt, som skabes, når ultrakorte laserpulser fokuseres på en nanofoton struktur. Ved hjælp af denne metode, forskere fra formanden for laserfysik ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) er lykkedes med at lede elektroner gennem en vakuumkanal, en væsentlig komponent i partikelacceleratorer. Det grundlæggende design af den fotoniske nanostrukturkanal blev udviklet af samarbejdspartner TU Darmstadt. De har nu offentliggjort deres fælles resultater i tidsskriftet Natur .

Bliver fokuseret

Da ladede partikler har en tendens til at bevæge sig længere væk fra hinanden, når de spredes, alle acceleratorteknologier står over for udfordringen med at holde partiklerne inden for de nødvendige rumlige og tidsmæssige grænser. Som resultat, partikelacceleratorer kan være op til ti kilometer lange, og indebærer mange års forberedelse og konstruktion, før de er klar til brug, for ikke at tale om de store investeringer, der er tale om. Dielektrisk laseracceleration, eller DLA, bruger ultrahurtig laserteknologi og fremskridt inden for halvlederproduktion for potentielt at minimere disse acceleratorer til kun et par millimeter eller centimeter i størrelse.

En lovende tilgang:Eksperimenter har allerede vist, at DLA overstiger de i øjeblikket anvendte teknologier med mindst 35 gange. Det betyder, at længden af ​​en potentiel accelerator kan reduceres med den samme faktor. Indtil nu, imidlertid, det var uklart, om disse tal kunne skaleres op til længere og længere strukturer.

Et team af fysikere ledet af professor Dr. Peter Hommelhoff fra formanden for laserfysik ved FAU har taget et stort skridt fremad mod at tilpasse DLA til brug i fuldt funktionelle acceleratorer. Deres arbejde er det første til at opstille et skema, der kan bruges til at lede elektronpulser over lange afstande.

Teknologi er nøglen

Ordningen, kendt som 'vekslende fasefokusering' (APF) er en metode taget fra acceleratorteoriens tidlige dage. En grundlæggende fysiklov betyder at fokusere ladede partikler i alle tre dimensioner på én gang - bredde, højde og dybde - er umuligt. Imidlertid, dette kan undgås ved skiftevis at fokusere elektronerne i forskellige dimensioner. Først og fremmest, elektroner fokuseres ved hjælp af en moduleret laserstråle, så 'driver' de gennem en anden kort passage, hvor ingen kræfter virker på dem, før de endelig accelereres, hvilket giver dem mulighed for at blive ført frem.

I deres eksperiment, forskerne fra FAU og TU Darmstadt indarbejdede en kolonnade af ovale søjler med korte mellemrum med jævne mellemrum, hvilket resulterer i gentagne makroceller. Hver makrocelle har enten en fokuserende eller defokuserende effekt på partiklerne, afhængigt af forsinkelsen mellem hændelseslaseren, elektronen, og det hul, der skaber den drivende sektion. Denne opsætning tillader præcis elektronfasestyring i den optiske eller femto-sekunders ultratidsskala (et femto-sekund svarer til en milliontedel af en milliarddel af et sekund). I forsøget, lyser en laser på strukturen viser en stigning i strålestrømmen gennem strukturen. Hvis der ikke bruges en laser, elektronerne styres ikke og går gradvist ned i kanalens vægge. "Det er meget spændende, "siger FAU -fysiker Johannes Illmer, medforfatter til publikationen. "Til sammenligning, den store Hadron -kollider ved CERN bruger 23 af disse celler i en 2, 450 meter lang kurve. Vores nanostruktur bruger fem lignende virkende celler på kun 80 mikrometer. "

Hvornår kan vi forvente at se den første DLA -accelerator?

"Resultaterne er ekstremt markante, men for os er det egentlig bare et midlertidigt skridt, "forklarer Dr. Roy Shiloh, "og vores endelige mål er klart:Vi ønsker at skabe en fuldt funktionel accelerator-på en mikrochip."

Arbejdet på dette område drives af det internationale 'accelerator on a chip' (ACHIP) samarbejde, hvoraf forfatterne er medlemmer. Samarbejdet har allerede bevist, at i teorien, APF kan justeres for at opnå acceleration af elektronstråler. Kompleks, tredimensionelle APF-opsætninger kunne derfor danne grundlag for fremtidens partikelacceleratorteknologi. "Vi er nødt til at fange elektronerne i alle tre dimensioner, hvis vi skal kunne accelerere dem over længere afstande uden tab, "forklarer Dr. Uwe Niedermayer fra TU Darmstadt, og medforfatter af publikationen.