纳米制造芯片以比传统技术高10​​倍的速率加速电子

加速器芯片的关键是微小的，精确间隔的凸脊，这些凸脊会导致在这张特写照片中看到虹彩。马特·比兹利（Matt Beardsley）/ SLAC

SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员已使用熔融石英的纳米制造芯片来加速电子，其速度是传统粒子加速器技术的10倍。

加利福尼亚州门洛帕克（Menlo Park）-研究人员可以使用激光以比传统技术高10​​倍的速度在比稻谷更小的纳米结构玻璃芯片中加速电子，从而使科学和医学领域的粒子加速器大大缩小。

今天，由美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家组成的团队在《自然》杂志上报道了这项成就。

乔尔·英格兰（Joel England）表示：“在这项技术在现实世界中实用之前，我们仍然面临许多挑战，但最终它将大大减少未来的高能粒子对撞机的尺寸和成本，以探索基本粒子和力的世界。” ，是领导实验的SLAC物理学家。“它还可帮助实现紧凑型加速器和X射线设备，用于安全扫描，医学治疗和成像以及生物学和材料科学领域的研究。”

该动画说明了芯片上的加速器如何使用红外激光将电子加速为越来越高的能量。（格雷格·斯图尔特/ SLAC）

由于它采用了商用激光器和低成本，批量生产的技术，因此研究人员认为，这将为新一代“桌面”加速器奠定基础。

新的“片上加速器”具有最大的潜力，可以在100英尺内与SLAC的2英里长的线性加速器的加速能力相媲美，并且每秒可传送一百万个电子脉冲。

最初的演示显示了每米3亿电子伏特的加速度梯度或每长度获得的能量。这大约是当前SLAC线性加速器提供的加速度的10倍。

“这项结构的最终目标是每米10亿电子伏特，而我们已经是第一个实验的三分之一，”这项研究的首席研究员斯坦福教授罗伯特·拜尔（Robert Byer）说。

怎么运行的

当今的加速器使用微波来增强电子的能量。研究人员一直在寻找更经济的替代方法，这项使用超快激光驱动加速器的新技术是领先的候选技术。

粒子通常在两个阶段中加速。首先，它们被提升到接近光速。然后，任何额外的加速度会增加其能量，但不会增加其速度；这是具有挑战性的部分。

在片上加速器实验中，电子首先在常规加速器中加速到接近光速。然后，将它们聚焦到一个只有半毫米长的熔融石英玻璃芯片中的一个半微米高的微小通道中。通道上已刻有精确间隔的纳米脊的图案。照射在图案上的红外激光产生电场，该电场与通道中的电子相互作用以增强其能量。（有关更多详细信息，请参见随附的动画。）

将芯片上的加速器转变为成熟的桌面加速器，将需要一种更紧凑的方式来使电子在进入设备之前达到最高速度。

由弗里德里希·亚历山大大学的彼得·霍默尔霍夫（Peter Hommelhoff）和马克斯·普朗克（Max Planck）量子光学研究所领导的德国合作研究小组一直在寻找这样的解决方案。它同时在《 Physical Review Letters》中报告了使用激光加速低能电子的成功。

多用途加速器

这些新的粒子加速器的应用将远远超出粒子物理学的研究范围。拜尔说，激光加速器可以驱动紧凑的X射线自由电子激光器，与SLAC的直线加速器相干光源相当，后者是进行广泛研究的通用工具。

另一个可能的应用是小型便携式X射线源，以改善战斗中受伤人员的医疗保健，以及为医院和实验室提供更实惠的医学成像。这是美国国防部高级研究计划局（DARPA）的高级X射线集成源（AXiS）计划的目标之一，该计划为这项研究提供了部分资金。这项研究的主要资金来自美国能源部科学办公室。

SLAC的乔尔·英格兰（Joel England）解释了硅计算机微芯片所使用的相同制造技术如何使他们的团队创建新的激光驱动的粒子加速器芯片。（SLAC）

该研究的主要作者是斯坦福大学的研究生埃德加·佩拉尔塔（Edgar Peralta）和肯·宋（Ken Soong）。Peralta在斯坦福大学的纳米制造工厂中创建了带图案的熔融石英芯片。Soong在SLAC的Next Linear Collider Test Accelerator的实验中采用了高精度激光光学系统。其他贡献者包括来自加利福尼亚大学洛杉矶分校和科罗拉多州博尔德市的Tech-X Corp.的研究人员。

SLAC是一个多程序实验室，致力于探索光子科学，天体物理学，粒子物理学和加速器研究中的前沿问题。SLAC位于加利福尼亚州门洛帕克（Menlo Park），由斯坦福大学（Stanford University）负责美国能源部科学办公室。

出版物：E. A. Peralta等人，“激光驱动介电微观结构中电子加速的演示”，《自然》，2013年； doi：10.1038 / nature12664

图像：马特·比兹利（Matt Beardsley）/ SLAC