_ Accelerator-on- A-cipul avansează și accelerează electronii la scara microcipului

Cercetătorii de la Stanford se apropie de construirea unui mic accelerator de electroni bazat pe tehnologia „accelerator-on-a-chip” cu aplicații potențiale largi în studiul fizicii, ca precum și utilizări medicale și industriale.

Cercetătorii au demonstrat că un accelerator laser dielectric cu siliciu, sau DLA, poate acum atât să accelereze, cât și să limiteze electronii, creând un fascicul focalizat de electroni de înaltă energie. „Dacă electronii ar fi mașini microscopice, este ca și cum, pentru prima dată, ne conducem și avem piciorul pe gaz”, a spus Payton Broaddus, Ph.D. '23 în inginerie electrică și autorul principal al unei lucrări publicate în Physical Review Letters pe 23 februarie, care detaliază descoperirea.

Acceleratoarele produc fascicule de particule de înaltă energie care permit fizicienilor să studieze proprietățile materialelor, să producă sonde concentrate pentru aplicații medicale și identifică blocurile elementare care alcătuiesc întreaga materie din univers. Unele dintre cele mai vechi acceleratoare de particule de înaltă energie, dezvoltate în anii 1930, puteau încăpea pe o masă.

Dar pentru a studia fizica mai avansată erau necesare energii mai mari ale particulelor, așa că oamenii de știință trebuiau să construiască sisteme mai mari. (Pornit în 1966, tunelul original al acceleratorului liniar de la Laboratorul național de accelerație SLAC din campusul Stanford are o lungime de aproape 2 mile.)

Deși aceste sisteme au făcut posibile numeroase descoperiri în fizica particulelor, Broaddus este motivat să construiască un mic accelerator liniar care ar putea rivaliza în cele din urmă cu capacitățile mașinilor de peste o mie de ori dimensiunea lui, la o fracțiune din cost.

Acest lucru ar permite, de asemenea, noi aplicații în medicină, cum ar fi posibilitatea de a atașa acest lucru. dispozitiv la o sondă mică și trage cu precizie un fascicul de electroni asupra unei tumori. „Există capacitatea de a înlocui complet orice alt accelerator de particule cu ceva care este mai ieftin și mai mic”, a spus el.

Datorită progreselor în fabricarea la scară nanometrică și a laserelor, această viziune este din ce în ce mai posibilă, a spus Olav Solgaard. , director al Laboratorului Edward L. Ginzton și al profesorului Robert L. și Audrey S. Hancock la Școala de Inginerie și autor principal al lucrării.

Acceleratoarele tradiționale de radiofrecvență sunt formate din cavități de cupru care sunt pompate cu unde radio, care oferă particulelor un impuls de energie. Aceste impulsuri pot încălzi metalul, astfel încât cavitățile trebuie să funcționeze la o energie și o frecvență de puls mai scăzute pentru a disipa căldura și a evita topirea.

Dar structurile din sticlă și siliciu pot gestiona impulsuri de energie mult mai mare de la lasere fără încălzire. în sus, astfel încât să poată fi mult mai puternice, în același timp fiind și mai mici. Cu aproximativ 10 ani în urmă, cercetătorii de la Stanford au început să experimenteze cu structuri de dimensiuni nanometrice realizate din aceste materiale.

În 2013, o echipă condusă de coautorul lucrării Robert Byer, profesorul William R. Kenan, Jr., Emeritus, a demonstrat că un mic accelerator de sticlă cu lumină infraroșie pulsatorie a accelerat cu succes electronii. Aceste rezultate au condus la adoptarea proiectului de către Fundația Gordon și Betty Moore în cadrul colaborării internaționale Accelerator on a Chip (ACHIP) pentru a produce un accelerator de mega-electron-volt de mărimea unei cutii de pantofi.

Dar aceasta este prima „ accelerator pe un cip" mai avea de rezolvat câteva probleme. După cum spune Broaddus, electronii din interior erau ca mașinile pe un drum îngust, fără roți de direcție. Ele ar putea accelera foarte repede, dar la fel de ușor să se lovească de un perete.

Acum, această echipă de cercetători de la Stanford a demonstrat cu succes că pot, de asemenea, direcționa electronii la scară nanometrică. Pentru a face acest lucru, au construit o structură de siliciu cu un canal sub-micron plasat într-un sistem de vid. Ei au injectat electroni într-un capăt și au iluminat structura din ambele părți cu un impuls laser în formă care a furnizat energie cinetică. Periodic, câmpurile laser s-au răsturnat între proprietățile de focalizare și cele de defocalizare, care au grupat electronii împreună, împiedicându-i să se abată din urmă.

În totalitate, acest lanț de accelerare, defocalizare și focalizare a acționat asupra electronilor pe o distanță. de aproape un milimetru. S-ar putea să nu sune departe, dar aceste particule încărcate au primit destul de mult, câștigând 23,7 kilo-electron-volți de energie, cu aproximativ 25% mai mare decât energia lor de pornire. Rata de accelerație pe care echipa a reușit să o obțină în prototipul său de accelerator minuscul este comparabilă cu acceleratoarele convenționale din cupru, iar Broaddus adaugă că sunt posibile rate de accelerație mult mai mari.

Deși este un pas semnificativ înainte, există mai multe acest lucru trebuie făcut înainte ca aceste acceleratoare mici să poată fi utilizate în industrie, medicină și cercetare. Până acum, capacitatea echipei de a direcționa electronii a fost limitată la două dimensiuni; Confinarea tridimensională a electronilor va fi necesară pentru a permite acceleratorului să fie suficient de lung pentru a avea loc câștiguri mai mari de energie.

Un grup de cercetare soră de la Universitatea Friedrich Alexander (FAU) din Erlangen, Germania, a demonstrat recent o acțiune similară. dispozitiv cu un singur laser și pornind la o energie de pornire mult mai mică. El și dispozitivul Stanford vor face, în cele din urmă, parte dintr-un fel de cursă cu releu de electroni, a spus Broaddus.

Acest viitor releu ar avea trei coechipieri: dispozitivul FAU ar lua electroni cu energie scăzută și le va oferi o lovitură inițială. , iar apoi ar putea fi introduse într-un dispozitiv similar cu cel pe care îl dezvoltă Broaddus. Ultimul pas pentru electroni ar fi un accelerator din sticlă, precum cel dezvoltat de Byer. Sticla poate rezista la loviri și mai mari ale laserelor decât siliciul, permițând acceleratorului să energizeze și să împingă electronii spre viteza luminii.

În cele din urmă, Solgaard crede că un astfel de accelerator mic va fi util în fizica energiilor înalte. , explorând materia fundamentală care alcătuiește universul așa cum fac omologii săi mai mari. „Avem un drum foarte, foarte lung de parcurs”, a spus el. Dar este încă optimist, adăugând: „am făcut primii pași.”

(Fluierul)