Accelerator-on-a-chip advance styrer og accelererer elektroner på mikrochipskalaen

Stanford-forskere kommer tættere på at bygge en lille elektronaccelerator baseret på "accelerator-på-en-chip"-teknologi med brede potentielle anvendelser inden for studier af fysik såvel som medicinske og industrielle anvendelser.

Forskerne har vist, at en dielektrisk siliciumlaseraccelerator, eller DLA, nu både kan fremskynde og begrænse elektroner og skabe en fokuseret stråle af højenergielektroner. "Hvis elektronerne var mikroskopiske biler, er det, som om vi for første gang styrer, og vi har foden på gassen," siger Payton Broaddus, Ph.D. '23 i elektroteknik og hovedforfatteren på et papir offentliggjort i Physical Review Letters den 23. februar med detaljer om gennembruddet.

At tage acceleratorer fra miles til mikron

Acceleratorer producerer højenergipartikelstråler, der gør det muligt for fysikere at studere materialers egenskaber, producere fokuserede sonder til medicinske anvendelser og identificere de elementære byggesten, der udgør alt stof i universet. Nogle af de tidligste højenergipartikelacceleratorer, udviklet i 1930'erne, kunne passe på en bordplade.

Men højere partikelenergier var påkrævet for at studere mere avanceret fysik, så forskerne var nødt til at bygge større systemer. (Den oprindelige lineære acceleratortunnel ved SLAC National Accelerator Laboratory på Stanford campus er opstartet i 1966 og er næsten 2 miles lang.)

Selvom disse systemer har gjort adskillige opdagelser inden for partikelfysik mulige, er Broaddus motiveret til at bygge en lille lineær accelerator, der i sidste ende kan konkurrere med maskinernes muligheder mere end tusind gange dens størrelse, til en brøkdel af prisen.

Dette ville også tillade nye anvendelser inden for medicin, såsom at være i stand til at fastgøre denne enhed til en lille sonde og præcist skyde en elektronstråle mod en tumor. "Der er muligheden for bare helt at erstatte hver anden partikelaccelerator med noget, der er billigere og mindre," sagde han.

Takket være fremskridt inden for fabrikation i nanoskala og lasere er denne vision i stigende grad mulig, sagde Olav Solgaard, direktør for Edward L. Ginzton Laboratory og Robert L. og Audrey S. Hancock professor ved School of Engineering og seniorforfatter om papiret.

Traditionelle radiofrekvensacceleratorer er opbygget af kobberhulrum, der pumpes med radiobølger, som giver partikler et energiboost. Disse impulser kan varme metallet op, så hulrummene skal fungere ved lavere energi- og pulshastigheder for at sprede varmen og undgå smeltning.

Men glas- og siliciumstrukturer kan håndtere meget højere energiimpulser fra lasere uden at blive varmet op, så de kan være meget kraftigere og samtidig være mindre. For omkring 10 år siden begyndte Stanford-forskere at eksperimentere med strukturer i nanostørrelse lavet af disse materialer.

I 2013 demonstrerede et hold ledet af papirmedforfatter Robert Byer, William R. Kenan, Jr. professor, emeritus, at en lille glasaccelerator med pulserende infrarødt lys havde succes med at accelerere elektroner. Disse resultater førte til, at projektet blev vedtaget af Gordon og Betty Moore Foundation under det internationale samarbejde Accelerator on a Chip (ACHIP) for at producere en mega-elektronvolt-accelerator i skoæskestørrelse.

Men denne første "accelerator på en chip" havde stadig nogle knæk, der skulle løses. Som Broaddus udtrykker det, var elektronerne indeni som biler på en smal vej uden rat. De kunne accelerere meget hurtigt, men lige så nemt styrte ind i en væg.

Styreelektroner med lasere

Nu har dette hold af Stanford-forskere med succes vist, at de også kan styre elektroner på nanoskala. For at gøre dette byggede de en siliciumstruktur med en sub-mikron kanal placeret i et vakuumsystem. De sprøjtede elektroner ind i den ene ende og oplyste strukturen fra begge sider med en formet laserimpuls, der afgav kicks af kinetisk energi. Periodisk skiftede laserfelterne mellem fokuserings- og defokuseringsegenskaber, hvilket samlede elektronerne sammen og forhindrede dem i at svinge af sporet.

Alt i alt virkede denne kæde af acceleration, defokusering og fokusering på elektronerne i en afstand på næsten en millimeter. Det lyder måske ikke langt, men disse ladede partikler fik et godt spark og fik 23,7 kilo-elektronvolt energi, cirka 25 % større end deres startenergi. Accelerationshastigheden, som holdet har været i stand til at opnå i deres prototype, lille accelerator er sammenlignelig med konventionelle kobberacceleratorer, og Broaddus tilføjer, at meget højere accelerationshastigheder er mulige.

Selvom det er et væsentligt skridt fremad, er der mere, der skal gøres, før disse små acceleratorer kan bruges i industri, medicin og forskning. Hidtil har holdets evne til at styre elektroner været begrænset til to dimensioner; tredimensionel elektronindeslutning vil være påkrævet for at tillade acceleratoren at være lang nok til, at der kan opstå større energigevinster.

Elektronrelæløb

En søsterforskergruppe ved Friedrich Alexander University (FAU) i Erlangen, Tyskland, demonstrerede for nylig en lignende enhed med en enkelt laser og starter med meget lavere startenergi. Det og Stanford-enheden vil i sidste ende være en del af en slags elektronrelæløb, sagde Broaddus.

Dette fremtidige stafet ville have tre holdkammerater:FAU-enheden ville tage lavenergielektroner og give dem et indledende kick, og så kunne de derefter fodres ind i en enhed, der ligner den Broaddus er ved at udvikle. Det sidste trin for elektronerne ville være en accelerator lavet af glas, som den udviklet af Byer. Glas kan modstå endnu større stød fra lasere end silicium, hvilket tillader acceleratoren yderligere at aktivere og skubbe elektronerne mod lysets hastighed.

Til sidst mener Solgaard, at sådan en lille accelerator vil være nyttig i højenergifysik, hvor man udforsker det grundlæggende stof, der udgør universet, ligesom dets større modstykker gør. "Vi har en meget, meget lang vej at gå," sagde han. Men han er stadig optimistisk og tilføjer, "vi har taget de første par skridt."

Flere oplysninger: Payton Broaddus et al., Subrelativistic Alternating Phase Focusing Dilectric Laser Accelerators, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.085001

Leveret af Stanford University