芯片上的粒子加速器达到硬币大小

FAU/LASERPHYSICS/LITZEL/KRAUS

粒子加速器的大小不一，有的可以装在实验室里，有的则需要占据几公里甚至几十公里的空间。然而，一项新的研究发现，现在科学家们正在更仔细地研究芯片大小的电子加速器。该技术的近期潜在应用包括用于精准治疗，替代那些更有破坏性的放疗，这种放疗可以杀死癌细胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推动金属管或金属环内的粒子。它们加速粒子的速率受到金属表面所能承受的峰值场的限制。传统加速器的尺寸从医学应用的几米到基础研究的几公里不等。他们使用的电场通常在每米数百万伏的规模上。

相比之下，电绝缘介电材料（导电性不好但能很好地支持静电场的材料）可以承受数千倍强的光场。这使得科学家们开始研究制造依赖激光投掷粒子的介电加速器。这种设备可能会导致“芯片上的加速器”比传统机器小很多倍，也便宜很多倍。

该研究的资深作者、德国埃尔兰根-纽伦堡大学的物理学家Peter Hommelhoff说：“这种想法几乎和激光一样古老。有时候，研究需要时间，我们发现，实现某些东西比抛出想法要求更高。”

在这项新的研究中，物理学家制造了一个225纳米宽、0.5毫米长的微小通道。电子束进入通道的一端并从另一端射出。

研究人员在通道顶部照射250飞秒长的红外激光脉冲，以帮助加速电子向下移动。在通道内部，两排高达733根的硅柱，每根2微米高，与这些激光脉冲相互作用，产生加速力。

电子以28400电子伏特的能量进入加速器，以大约三分之一的光速行进。他们以40700电子伏特的能量离开它，能量增加了43%。

这种新型粒子加速器可以使用标准的洁净室技术制造，如电子束光刻。Hommelhoff说：“这就是为什么我们认为我们的结果代表着向前迈出了一大步。每个人都可以从中着手设计有用的机器。”

粒子加速器不仅推动粒子，而且限制粒子，最大限度地减少粒子损失。先前的研究发现，带电粒子束不可能同时聚焦在所有三维空间。因此，科学家们设计了他们的加速器结构，以改变他们聚焦电子束的方向，从而在所有三个维度上产生约束的净结果。

尽管如此，研究人员预计这种限制策略在相对较长的距离内不会奏效。

Hommelhoff说：“我们曾希望0.1和0.2毫米长的加速器结构能起作用，在我们看到它们起作用后，我们就继续尝试我们制造的更长的加速器结构。看到0.3、0.4甚至0.5毫米长的结构也能工作，真是太棒了。”

Hommelhoff将他们的成功归功于制造质量，几乎去除了每一块灰尘或任何其他可能杀死电子束的障碍。

Hommelhoff说：“我们的几位同事曾告诉我们，这永远不会奏效，因为所需的制造精度水平可能太高，但幸运的是，事实并非如此。其他人说这永远不会奏效或有意义 —— 我们将其视为一种动力。”

这些纳米光子电子加速器的应用取决于它们所能达到的能量。Hommelhoff说，高达300000电子伏特的电子是电子显微镜的典型代表。为了治疗皮肤癌症，需要1000万个电子伏特电子。尽管目前此类医疗应用需要一个1米宽的加速器，以及额外的大型、重型和昂贵的部件来帮助驱动加速器，但该研究的主要作者、德国纽伦堡埃尔兰根大学的物理学家Tomáš Chlouba补充道：“原则上，我们可以同时去掉这两个部件，只需要一个大约1厘米的芯片，再加上几厘米的电子源。”

同步加速器光源、自由电子激光器和寻找轻质暗物质等应用都伴随着数十亿电子伏特的电子。Hommelhoff说，有了万亿电子伏特的电子，高能对撞机就成为可能。

Hommelhoff指出，他们的结构相对难以加速相对较慢的电子，比如他们实验的大约30000电子伏特的电子。他说：“当电子接近光速时，这些结构会变得更有效率，这意味着是当它们的能量接近100万电子伏特时。”

科学家们指出，在最初的概念验证结构之外，还有很多方法可以改进他们的设备。他们现在的目标是用更大的加速度和更高的电子电流进行实验，以帮助实现应用，并通过制造许多相邻的加速器通道来提高输出，这些通道都可以由相同的激光脉冲驱动。

此外，尽管这项新研究实验了由硅制成的结构，因为使用硅相对容易，但“硅并不是一种真正的高损伤阈值材料，” Hommelhoff如此表示。他说，由玻璃或其他材料制成的结构可能会产生更强的激光脉冲，从而产生更强大的加速度。

Hommelhoff说，研究人员有兴趣建造一个小型加速器，“也许首先考虑到皮肤癌症治疗应用。这当然也是我们应该很快会和一家初创公司共同做的事情。”

科学家们在10月19日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7）。