Accelerator på en chip demonstreret

I et fremskridt, der dramatisk kunne skrumpe partikelacceleratorer for videnskab og medicin, forskere brugte en laser til at accelerere elektroner med en hastighed 10 gange højere end konventionel teknologi i en nanostruktureret glaschip, der er mindre end et riskorn.

Præstationen blev rapporteret i dag i Natur af et team, der inkluderer videnskabsmænd fra det amerikanske energiministeriums (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University.

"Vi har stadig en række udfordringer, før denne teknologi bliver praktisk til brug i den virkelige verden, men i sidste ende ville det reducere størrelsen og omkostningerne ved fremtidige højenergipartikelkollidere væsentligt for at udforske verden af ​​fundamentale partikler og kræfter, " sagde Joel England, SLAC-fysikeren, der ledede eksperimenterne. "Det kan også hjælpe med at aktivere kompakte acceleratorer og røntgenenheder til sikkerhedsscanning, medicinsk terapi og billeddiagnostik, og forskning i biologi og materialevidenskab."

Fordi den anvender kommercielle lasere og lavpris, masseproduktionsteknikker, forskerne mener, at det vil sætte scenen for nye generationer af "bordplade"-acceleratorer.

På sit fulde potentiale, den nye "accelerator på en chip" kunne matche accelerationskraften fra SLAC's 2-mile lange lineære accelerator på kun 100 fod, og levere en million flere elektronimpulser i sekundet.

Denne indledende demonstration opnåede en accelerationsgradient, eller mængden af ​​energi opnået pr. længde, på 300 millioner elektronvolt per meter. Det er cirka 10 gange accelerationen fra den nuværende SLAC lineære accelerator.

"Vores endelige mål for denne struktur er 1 milliard elektronvolt per meter, og vi er allerede en tredjedel af vejen i vores første eksperiment, " sagde Stanford Professor Robert Byer, hovedforsker for denne forskning.

Nutidens acceleratorer bruger mikrobølger til at øge elektronernes energi. Forskere har ledt efter mere økonomiske alternativer, og denne nye teknik, som bruger ultrahurtige lasere til at drive speederen, er en spidskandidat.

Partikler accelereres generelt i to trin. Først boostes de til næsten lysets hastighed. Så øger enhver yderligere acceleration deres energi, men ikke deres hastighed; dette er den udfordrende del.

I accelerator-på-en-chip-eksperimenterne, elektroner accelereres først til næsten lyshastighed i en konventionel accelerator. Så er de fokuseret i en lille, en halv mikron høj kanal i en smeltet silica glas chip kun en halv millimeter lang. Kanalen var blevet mønstret med præcist adskilte nanoskala-rygge. Infrarødt laserlys, der skinner på mønsteret, genererer elektriske felter, der interagerer med elektronerne i kanalen for at øge deres energi. (Se den medfølgende animation for flere detaljer.)

At omdanne acceleratoren på en chip til en fuldgyldig bordaccelerator vil kræve en mere kompakt måde at få elektronerne op i hastighed, før de kommer ind i enheden.

En samarbejdende forskningsgruppe i Tyskland, ledet af Peter Hommelhoff ved Max Planck Institute of Quantum Optics, har ledt efter en sådan løsning. Den rapporterer samtidig ind Fysiske anmeldelsesbreve dens succes med at bruge en laser til at accelerere elektroner med lavere energi.

Ansøgninger om disse nye partikelacceleratorer ville gå langt ud over partikelfysisk forskning. Byer sagde, at laseracceleratorer kunne drive kompakte røntgenfrielektronlasere, sammenlignelig med SLACs Linac Coherent Light Source, som er universalværktøjer til en bred vifte af forskning.

En anden mulig anvendelse er lille, bærbare røntgenkilder for at forbedre medicinsk behandling af mennesker, der er såret i kamp, samt give mere overkommelig medicinsk billeddannelse til hospitaler og laboratorier. Det er et af målene for Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Advanced X-Ray Integrated Sources (AXiS) program, som delvist finansierede denne forskning. Primær finansiering til denne forskning er fra DOE's Office of Science.