Elektroingenjörer i acceleratorfysikgruppen vid TU Darmstadt har utvecklat en design för en laserdriven elektronaccelerator så liten att den skulle kunna tillverkas på ett kiselchip. Det skulle vara billigt och med flera applikationer. Designen, som har publicerats i Fysiska granskningsbrev , realiseras nu som en del av ett internationellt samarbete.

Partikelacceleratorer är vanligtvis stora och dyra, men det kommer snart att ändras om forskarna får sin vilja igenom. Accelerator on a Chip International Program (AChIP), finansierat av Gordon and Betty Moore Foundation i USA, syftar till att skapa en elektronaccelerator på ett kiselchip. Den grundläggande idén är att ersätta acceleratordelar gjorda av metall med glas eller kisel, och att använda en laser istället för en mikrovågsgenerator som energikälla. På grund av glasets högre elektriska fältlastkapacitet, accelerationshastigheten kan ökas och på så sätt kan samma mängd energi överföras till partiklarna inom ett kortare utrymme, gör acceleratorn kortare med en faktor på cirka 10 än traditionella acceleratorer som levererar samma energi.

En av utmaningarna här är att vakuumkanalen för elektronerna på ett chip måste göras väldigt liten, vilket kräver att elektronstrålen är extremt fokuserad. De magnetiska fokuseringskanalerna som används i konventionella acceleratorer är alldeles för svaga för detta. Det innebär att en helt ny fokuseringsmetod måste utvecklas om acceleratorn på ett chip ska bli verklighet.

Som en del av TU Darmstadts profilområde Matter and Radiation Science, AChIP-gruppen i acceleratorfysik (Electrical Engineering and Information Technology Faculty vid TU Darmstadt), ledd av den yngre forskaren Dr. Uwe Niedermayer, föreslog nyligen en avgörande lösning som kräver att själva laserfälten används för att fokusera elektronerna i en kanal som bara är 420 nanometer bred. Konceptet är baserat på abrupta förändringar av elektronernas fas i förhållande till lasern, vilket resulterar i alternerande fokusering och defokusering i de två riktningarna i chipytans plan. Detta skapar stabilitet i båda riktningarna. Konceptet kan liknas vid en boll på en sadel – bollen kommer att falla ner, oavsett i vilken riktning sadeln lutar. Dock, att vrida sadeln kontinuerligt innebär att bollen förblir stabil på sadeln. Elektronerna i kanalen på chippet gör detsamma.

Vinkelrätt mot chipets yta, svagare fokusering räcker, och en enda fyrpolsmagnet som omfattar hela chippet kan användas. Detta koncept liknar det för en konventionell linjäraccelerator. Dock, för en accelerator på ett chip, elektrondynamiken har ändrats för att skapa en tvådimensionell design som kan realiseras med litografiska tekniker från halvledarindustrin.

Niedermayer är för närvarande gästforskare vid Stanford University; det amerikanska universitetet leder AChIP-programmet tillsammans med University of Erlangen i Tyskland. På Stanford, han samarbetar med andra AChIP-forskare i syfte att skapa en accelerator på ett chip i en experimentkammare lika stor som en skokartong. Ett kommersiellt tillgängligt system, anpassad med hjälp av komplicerad icke-linjär optik, används som laserkälla. Målet med AChIP-programmet, som har finansiering fram till 2020, är att producera elektroner med en megaelektronvolt energi från chipet. Detta är ungefär lika med den elektriska spänningen för en miljon batterier. Ett ytterligare mål är att skapa ultrakorta ( <10 ^-15 sekunder) elektronpulser, som krävs av designen för en skalbar accelerator på ett chip utvecklat i Darmstadt.

Tillämpningar inom industri och medicin

De möjliga tillämpningarna för en accelerator som denna skulle vara inom industri och medicin. Ett viktigt långsiktigt mål är att skapa en kompakt koherent röntgenstrålekälla för karakterisering av material. Ett exempel på en medicinsk tillämpning skulle vara ett accelerator-endoskop som skulle kunna användas för att bestråla tumörer djupt inne i kroppen med elektroner.

En speciell fördel med denna nya acceleratorteknik är att chipsen kan tillverkas billigt i stora antal, vilket skulle innebära att gaspedalen skulle vara inom räckhåll för mannen på gatan och varje universitet skulle ha råd med ett eget acceleratorlaboratorium. Ytterligare möjligheter skulle inkludera användningen av billiga koherenta röntgenstrålekällor i fotolitografiska processer i halvledarindustrin, vilket skulle göra en minskning av transistorstorleken i datorprocessorer möjlig, tillsammans med en högre grad av integrationstäthet.