En fysik milepæl:Miniature partikelaccelerator virker

Partikelacceleratorer er afgørende værktøjer inden for en lang række områder inden for industri, forskning og den medicinske sektor. Den plads, disse maskiner kræver, spænder fra få kvadratmeter til store forskningscentre. Brug af lasere til at accelerere elektroner i en fotonisk nanostruktur udgør et mikroskopisk alternativ med potentiale til at generere væsentligt lavere omkostninger og gøre enheder betydeligt mindre omfangsrige.

Indtil nu er der ikke påvist væsentlige energigevinster. Det er med andre ord ikke vist, at elektroner virkelig er steget i hastighed væsentligt. Et hold af laserfysikere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) er nu lykkedes med at demonstrere den første nanofotoniske elektronaccelerator – samtidig med kolleger fra Stanford University. Forskerne fra FAU har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature .

Når folk hører "partikelaccelerator", vil de fleste sandsynligvis tænke på Large Hadron Collider i Genève, den cirka 27 kilometer lange ringformede tunnel, som forskere fra hele kloden brugte til at forske i ukendte elementarpartikler. Sådanne enorme partikelacceleratorer er dog undtagelsen. Vi er mere tilbøjelige til at støde på dem andre steder i vores daglige liv, for eksempel i medicinske billedbehandlingsprocedurer eller under stråling til behandling af tumorer.

Selv da er enhederne dog flere meter store og stadig ret omfangsrige, med plads til forbedringer med hensyn til ydeevne. I et forsøg på at forbedre og mindske størrelsen af ​​eksisterende enheder arbejder fysikere over hele kloden på dielektrisk laseracceleration, også kendt som nanofotoniske acceleratorer. De strukturer, de bruger, er kun 0,5 millimeter lange, og den kanal, elektronerne accelereres igennem, er kun omkring 225 nanometer i bredden, hvilket gør disse acceleratorer så små som en computerchip.

Partikler accelereres af ultrakorte laserimpulser, der belyser nanostrukturerne. "Drømmeapplikationen ville være at placere en partikelaccelerator på et endoskop for at være i stand til at administrere strålebehandling direkte på det berørte område i kroppen," forklarer Dr. Tomáš Chlouba, en af ​​de fire hovedforfattere af det nyligt offentliggjorte papir.

Denne drøm kan stadig være langt uden for rækkevidden af ​​FAU-holdet fra Chair of Laser Physics ledet af prof. Dr. Peter Hommelhoff og bestående af Dr. Tomáš Chlouba, Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner og Julian Litzel, men det er nu lykkedes dem at tage et afgørende skridt i den rigtige retning ved at demonstrere den nanofotoniske elektronaccelerator. "For første gang kan vi virkelig tale om en partikelaccelerator på en chip," siger Dr. Roy Shiloh.

Ledeelektroner + acceleration =partikelaccelerator

For godt to år siden fik holdet deres første store gennembrud:det lykkedes dem at bruge metoden til alternerende fasefokusering (APF) fra accelerationsteoriens tidlige dage til at kontrollere strømmen af ​​elektroner i en vakuumkanal over lange afstande. Dette var det første store skridt på vejen mod at bygge en partikelaccelerator. Nu var alt, hvad der skulle til for at få større mængder energi, acceleration.

"Ved brug af denne teknik er det nu lykkedes os ikke kun at lede elektroner, men også at accelerere dem i disse nano-fabrikerede strukturer over en længde på en halv millimeter," forklarer Stefanie Kraus. Selvom dette måske ikke lyder som meget af en præstation for mange, er det en stor succes inden for acceleratorfysik. "Vi fik energi på 12 kiloelektronvolt. Det er en energiforøgelse på 43 procent," forklarer Leon Brückner.

For at accelerere partiklerne over så store afstande (set fra nanoskalaen) kombinerede FAU-fysikerne APF-metoden med specialudviklede søjleformede geometriske strukturer.

Denne demonstration er dog kun begyndelsen. Nu er målet at øge forstærkningen af ​​energi og elektronstrøm i en sådan grad, at partikelacceleratoren på en chip er tilstrækkelig til anvendelser inden for medicin. For at dette er tilfældet, skal energiforøgelsen øges med en faktor på ca. 100.

"For at opnå højere elektronstrømme ved højere energier ved udgangen af ​​strukturen, bliver vi nødt til at udvide strukturerne eller placere flere kanaler ved siden af ​​hinanden," forklarer Tomáš Chlouba de næste trin af FAU laserfysikere.

Flere oplysninger: Tomáš Chlouba, Kohærent nanofotonisk elektronaccelerator, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06602-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Friedrich–Alexander University Erlangen–Nürnberg