新型粒子加速器可安裝在矽晶片上

在全尺寸粒子加速器中，電子沿著幾公里長的路徑飛行，微波轟擊它們，將粒子加速到接近光速。這種高能電子束，在加利福尼亞州SLAC國家加速器實驗室等設施中產生，可以進行各種實驗，包括捕獲極其詳細的影像和探測分子結構。但是，粒子加速器價格昂貴，需要科學家從世界各地前來，並且無法滿足所有提交時間預訂請求的研究人員的需求。為了使這些裝置更易於使用，斯坦福大學的一個團隊開發了一種雷射驅動的粒子加速器，它可以安裝在微小的矽晶片上，並且最終可以擴大規模，產生與SLAC一樣能量的束流。

斯坦福大學研究員羅伯特·拜爾說：“在加速器中使用雷射的想法可以追溯到雷射發明的1960年。”他自1974年以來一直致力於這個概念。雷射產生電磁波，其波長比全尺寸加速器中使用的微波短得多，這意味著它們可以加速在小得多的空間中移動的電子。拜爾說：“這些裝置的大小小的令人難以置信。” 例如，新型加速器中的電子沿通道傳播，該通道的寬度約為千分之三毫米，大約是人類紅細胞寬度的一半。

儘管雷射驅動的裝置可以在比全尺寸加速器小得多的空間中加速電子，但它們也需要更高的精度來以正確的方式對準雷射和電子，因此光波可以儘可能多地以正確的方向推動粒子。“你不僅必須證明將雷射耦合到這些非常小的結構中的電子的能力，而且還必須產生電子並讓它們也透過通道傳輸，”拜爾解釋說。2013年，兩個研究小組，一個在斯坦福大學和其他美國機構，以及另一個在德國，獨立地用雷射成功地加速了電子。但是，這些概念驗證原型需要單獨的裝置來產生電子，並且使用現有技術很難批次生產。

支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

然而，在矽中蝕刻的雷射驅動加速器將更容易擴大規模，並且多個元件可能會安裝在同一晶片上。拜爾與包括斯坦福大學電氣工程師耶萊娜·武科維奇在內的其他幾位研究人員合作，生產了這樣一個工具。武科維奇說：“您必須設計的是以正確的方式引導光線的結構，因此光線始終會在正確的方向上提供推動力，從而使粒子始終被加速。” 為了確定該結構，她的學生尼爾·薩普拉使用計算機模擬了不同的模式將如何與入射的電磁波相互作用。一旦他們獲得了一個儘可能多地加速電子的設計，並且始終以正確的方向進行加速，研究人員就將該加速器蝕刻到矽晶圓中。

當晶圓從上方被雷射脈衝轟擊時，雷射會擊中一個稱為“輸入耦合器”的光柵，該光柵會使其沿晶片的長度移動。接下來，光波會進入橫穿晶片寬度的計算機設計的路徑。當光線透過時，該模式會聚焦波，因此它們將能量傳遞給沿該路徑發射的電子束。這種能量使粒子更快地向前推進。該晶片的描述於週四發表在《科學》雜誌上。

“這是一篇很有前途的論文，”布魯克海文國家實驗室加速器測試設施主任馬克·帕爾默說，他沒有參與這項新研究。“我認為他們在展示我們如何開始著手設計這些結構，並有望在不久的將來實際拿出可用的裝置方面做得非常好，”他補充說。

斯坦福大學的研究人員發現，他們的原型可以成功地將電子的能量提高 915 電子伏特。儘管按日常標準衡量，這種能量很小，但當電子行進僅千分之三毫米時，這種增加就發生了，相當於它們在一米的距離上獲得了約 3000 萬電子伏特。這種變化與像 SLAC 這樣的加速器所能產生的效果不在同一數量級，SLAC 有許多米的空間來將電子的能量提高數百億電子伏特。然而，微型加速器比其較大的對應物更容易擴大規模：因為它蝕刻在小型矽晶圓中，研究人員可以在未來的設計中安裝多個加速路徑，而無需增加體積。

武科維奇說：“我們展示了加速器的單級。” “從單級到單個矽晶圓上的1,000級，擴充套件非常簡單。” 她估計，1,000 級可以安裝在幾釐米長的晶片上，並使電子獲得一百萬電子伏特的能量，從而使它們以約 94% 的光速傳播。對於研究人員來說，這項成就足以進行一些目前需要訪問像 SLAC 這樣的加速器的實驗。具有這種能量的電子也可能實現醫療應用，例如為癌症患者提供有針對性的放射治療，而不會損害健康組織。武科維奇說：“我們基本上可以製造出可以產生非常聚焦的電子束的儀器，並可以用它來選擇性地靶向腫瘤。” 她預計她的團隊可能會在一年內開發出這種擴充套件晶片，但該裝置可能需要大約五年才能在實際應用中使用，甚至更長的時間才能用於醫療治療。

帕爾默對他的估計持更為保守的態度，他猜測應用可能需要 10 年才能實現。 然而，他對晶片上的加速器屆時將產生的影響持樂觀態度。“最終，透過在這些小型結構中[加速粒子]，您擁有可以輕鬆適應您需要在其中操作它們的任何環境的裝置，”他說，“而不是擁有一個必須進入非常固定空間的更大的粒子加速器。”