粒子加速器的大小不一，有的可以裝在實驗室里，有的則需要占據(jù)幾公里甚至幾十公里的空間。然而，一項新的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學(xué)家們正在更仔細(xì)地研究芯片大小的電子加速器。該技術(shù)的近期潛在應(yīng)用包括用于精準(zhǔn)治療，替代那些更有破壞性的放療，這種放療可以殺死癌細(xì)胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推動金屬管或金屬環(huán)內(nèi)的粒子。它們加速粒子的速率受到金屬表面所能承受的峰值場的限制。傳統(tǒng)加速器的尺寸從醫(yī)學(xué)應(yīng)用的幾米到基礎(chǔ)研究的幾公里不等。他們使用的電場通常在每米數(shù)百萬伏的規(guī)模上。

相比之下，電絕緣介電材料（導(dǎo)電性不好但能很好地支持靜電場的材料）可以承受數(shù)千倍強的光場。這使得科學(xué)家們開始研究制造依賴激光投擲粒子的介電加速器。這種設(shè)備可能會導(dǎo)致“芯片上的加速器”比傳統(tǒng)機(jī)器小很多倍，也便宜很多倍。

該研究的資深作者、德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的物理學(xué)家Peter Hommelhoff說：“這種想法幾乎和激光一樣古老。有時候，研究需要時間，我們發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)某些東西比拋出想法要求更高?！?/p>

在這項新的研究中，物理學(xué)家制造了一個225納米寬、0.5毫米長的微小通道。電子束進(jìn)入通道的一端并從另一端射出。

研究人員在通道頂部照射250飛秒長的紅外激光脈沖，以幫助加速電子向下移動。在通道內(nèi)部，兩排高達(dá)733根的硅柱，每根2微米高，與這些激光脈沖相互作用，產(chǎn)生加速力。

電子以28400電子伏特的能量進(jìn)入加速器，以大約三分之一的光速行進(jìn)。他們以40700電子伏特的能量離開它，能量增加了43%。

這種新型粒子加速器可以使用標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室技術(shù)制造，如電子束光刻。Hommelhoff說：“這就是為什么我們認(rèn)為我們的結(jié)果代表著向前邁出了一大步。每個人都可以從中著手設(shè)計有用的機(jī)器?！?/p>

粒子加速器不僅推動粒子，而且限制粒子，最大限度地減少粒子損失。先前的研究發(fā)現(xiàn)，帶電粒子束不可能同時聚焦在所有三維空間。因此，科學(xué)家們設(shè)計了他們的加速器結(jié)構(gòu)，以改變他們聚焦電子束的方向，從而在所有三個維度上產(chǎn)生約束的凈結(jié)果。

盡管如此，研究人員預(yù)計這種限制策略在相對較長的距離內(nèi)不會奏效。

Hommelhoff說：“我們曾希望0.1和0.2毫米長的加速器結(jié)構(gòu)能起作用，在我們看到它們起作用后，我們就繼續(xù)嘗試我們制造的更長的加速器結(jié)構(gòu)?？吹?.3、0.4甚至0.5毫米長的結(jié)構(gòu)也能工作，真是太棒了。”

Hommelhoff將他們的成功歸功于制造質(zhì)量，幾乎去除了每一塊灰塵或任何其他可能殺死電子束的障礙。

Hommelhoff說：“我們的幾位同事曾告訴我們，這永遠(yuǎn)不會奏效，因為所需的制造精度水平可能太高，但幸運的是，事實并非如此。其他人說這永遠(yuǎn)不會奏效或有意義 —— 我們將其視為一種動力。”

這些納米光子電子加速器的應(yīng)用取決于它們所能達(dá)到的能量。Hommelhoff說，高達(dá)300000電子伏特的電子是電子顯微鏡的典型代表。為了治療皮膚癌癥，需要1000萬個電子伏特電子。盡管目前此類醫(yī)療應(yīng)用需要一個1米寬的加速器，以及額外的大型、重型和昂貴的部件來幫助驅(qū)動加速器，但該研究的主要作者、德國紐倫堡埃爾蘭根大學(xué)的物理學(xué)家Tomá? Chlouba補充道：“原則上，我們可以同時去掉這兩個部件，只需要一個大約1厘米的芯片，再加上幾厘米的電子源?！?/p>

同步加速器光源、自由電子激光器和尋找輕質(zhì)暗物質(zhì)等應(yīng)用都伴隨著數(shù)十億電子伏特的電子。Hommelhoff說，有了萬億電子伏特的電子，高能對撞機(jī)就成為可能。

Hommelhoff指出，他們的結(jié)構(gòu)相對難以加速相對較慢的電子，比如他們實驗的大約30000電子伏特的電子。他說：“當(dāng)電子接近光速時，這些結(jié)構(gòu)會變得更有效率，這意味著是當(dāng)它們的能量接近100萬電子伏特時?！?/p>

科學(xué)家們指出，在最初的概念驗證結(jié)構(gòu)之外，還有很多方法可以改進(jìn)他們的設(shè)備。他們現(xiàn)在的目標(biāo)是用更大的加速度和更高的電子電流進(jìn)行實驗，以幫助實現(xiàn)應(yīng)用，并通過制造許多相鄰的加速器通道來提高輸出，這些通道都可以由相同的激光脈沖驅(qū)動。

此外，盡管這項新研究實驗了由硅制成的結(jié)構(gòu)，因為使用硅相對容易，但“硅并不是一種真正的高損傷閾值材料，” Hommelhoff如此表示。他說，由玻璃或其他材料制成的結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生更強的激光脈沖，從而產(chǎn)生更強大的加速度。

Hommelhoff說，研究人員有興趣建造一個小型加速器，“也許首先考慮到皮膚癌癥治療應(yīng)用。這當(dāng)然也是我們應(yīng)該很快會和一家初創(chuàng)公司共同做的事情?！?/p>

審核編輯：彭菁