The Large Hadron Collider på CERN i Schweiz, den största acceleratorn i världen, har en omkrets på cirka 26 kilometer. Forskare vid Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Tyskland, försöker gå till den andra ytterligheten genom att bygga världens minsta accelerator - en som passar på ett mikrochip. Forskargruppen har nu tagit ytterligare ett steg mot att uppnå denna ambition.

Grundtanken är att göra det möjligt för forskare att använda laserstrålar för att accelerera elektroner. Det som låter bedrägligt enkelt i teorin väcker en rad utmaningar i praktiken, sträcker sig över olika fysikområden. Till exempel, forskarna måste kunna styra ljusets oscillation och elektronernas rörelse med stor precision för att säkerställa att de träffas i precis rätt ögonblick.

Ett sätt att tänka sig detta är att föreställa sig ett fartyg på ett stormigt hav; att säkert stiga upp en våg och komma ner på andra sidan, rorsmannen måste se den kommande vågen och bedöma när den kommer att möta fartyget. Det är lika avgörande för FAU:s team av forskare att fastställa när och var den maximala toppen av en ljusvåg kommer att träffa ett paket elektroner så att de kan påverka resultatet i hög grad. Detta betyder att de måste göra det möjligt för ljus och elektroner att sammanfalla inom "attosekunder" - det vill säga en miljarddel av en miljarddel av en sekund.

I en spännande första, detta är precis vad forskargruppen som leddes av Dr. Peter Hommelhoff har åstadkommit. Teamet har utvecklat en ny teknik som innefattar skärningspunkten mellan två laserstrålar som oscillerar vid olika frekvenser för att generera ett optiskt fält vars egenskaper forskarna kan påverka i extremt exakt grad. Nyckelegenskapen för detta optiska fält är att det behåller kontakten med elektronerna, rör sig effektivt med dem - en resande våg - så att elektronerna kontinuerligt kan känna, eller 'surfa, 'det optiska fältet. På det här sättet, det optiska fältet överför sina egenskaper exakt till partiklarna.

Denna process får inte bara partiklarna att exakt reflektera fältstrukturen, det accelererar dem också i en påfallande hög grad. Denna effekt är avgörande för miniatyrpartikelacceleratorn, eftersom det handlar om hur mycket energi som kan överföras till elektronerna och över vilket avstånd. Accelerationsgradienten, som indikerar den maximala uppmätta elektronenergivinsten jämfört med sträckan, når det extremt höga värdet på 2,2 giga-elektron-volt per meter, mycket högre än vad konventionella acceleratorer uppnår. Dock, accelerationssträckan på endast 0,01 millimeter för närvarande tillgänglig för forskargruppen i Erlangen är inte tillräckligt för att de ska generera den energi som behövs för praktiska tillämpningar. "Trots detta, för partikelacceleratorer inom medicin, vi skulle bara behöva en liten accelerationslängd på mindre än en millimeter, "förklarar Dr Martin Kozák, som utförde laboratorieexperimentet.

Projektledare Prof. Dr. Peter Hommelhoff vid FAU anser acceleratorminiatyrisering vara en teknisk revolution analog med miniatyrisering av datorer. "Detta tillvägagångssätt kommer förhoppningsvis att göra det möjligt för oss att göra denna innovativa partikelaccelerationsteknik användbar inom en rad forskningsområden och tillämpningsområden som materialvetenskap, biologi och medicin - ett exempel kan vara partikelbehandlingar för cancerpatienter. "