På en sluttning ovanför Stanford University, SLAC National Accelerator Laboratory driver ett vetenskapligt instrument som är nästan 3 mil långt. I denna gigantiska accelerator, en ström av elektroner strömmar genom ett vakuumrör, som utbrott av mikrovågsstrålning knuffar partiklarna allt snabbare fram tills deras hastighet närmar sig ljusets hastighet, skapa en kraftfull stråle som forskare från hela världen använder för att undersöka atomära och molekylära strukturer av oorganiska och biologiska material.

Nu, för första gången, forskare vid Stanford och SLAC har skapat ett kiselchip som kan accelerera elektroner - om än med en bråkdel av hastigheten för det massiva instrumentet - med hjälp av en infraröd laser för att leverera, på mindre än ett hårs bredd, den typ av energiboost som tar mikrovågor många fot.

Skriver i 3 januari numret av Vetenskap , ett team som leds av elingenjören Jelena Vuckovic förklarade hur de ristade en nanoskalkanal av kisel, förseglade den i ett vakuum och skickade elektroner genom denna hålighet medan pulser av infrarött ljus - till vilket kisel är lika transparent som glas är för synligt ljus - överfördes av kanalväggarna för att påskynda elektronerna.

Acceleratorn-på-ett-chip demonstrerade i Vetenskap är bara en prototyp, men Vuckovic sa att dess design- och tillverkningstekniker kan skalas upp för att leverera partikelstrålar tillräckligt accelererade för att utföra avancerade experiment inom kemi, materialvetenskap och biologisk upptäckt som inte kräver kraft från en massiv accelerator.

"De största acceleratorerna är som kraftfulla teleskop. Det finns bara några få i världen och forskare måste komma till platser som SLAC för att använda dem, "Vuckovic sa." Vi vill minimera acceleratortekniken på ett sätt som gör den till ett mer tillgängligt forskningsverktyg. "

Teammedlemmar liknar sin inställning till hur datorer utvecklades från stordatorn till den mindre men ändå användbara datorn. Accelerator-on-a-chip-teknik kan också leda till nya strålbehandlingar mot cancer, sa fysikern Robert Byer, medförfattare till Vetenskap papper. På nytt, det är en fråga om storlek. I dag, medicinska röntgenapparater fyller ett rum och levererar en strålning som är svår att fokusera på tumörer, kräver att patienter bär blyskydd för att minimera säkerhetsskador.

"I det här dokumentet börjar vi visa hur det kan vara möjligt att leverera elektronstrålar strålning direkt till en tumör, lämnar frisk vävnad opåverkad, sa Byer, som leder acceleratorn på ett internationellt chipprogram, eller ACHIP, en bredare insats som denna aktuella forskning är en del av.

Omvänd design

I deras papper, Vuckovic och doktorand Neil Sapra, den första författaren, förklara hur teamet byggde ett chip som avfyrar pulser av infrarött ljus genom kisel för att träffa elektroner i precis rätt ögonblick, och precis rätt vinkel, att flytta dem fram lite snabbare än tidigare.

För att åstadkomma detta, de vände upp och ner på designprocessen. I en traditionell accelerator, som den på SLAC, ingenjörer generellt utformar en grundläggande design, kör sedan simuleringar för att fysiskt ordna mikrovågssprången för att leverera största möjliga acceleration. Men mikrovågor mäter 4 tum från topp till dal, medan infrarött ljus har en våglängd en tiondel av bredden på ett människohår. Den skillnaden förklarar varför infrarött ljus kan accelerera elektroner på så korta avstånd jämfört med mikrovågor. Men det betyder också att chipets fysiska funktioner måste vara 100, 000 gånger mindre än kopparstrukturerna i en traditionell accelerator. Detta kräver en ny metod för teknik baserad på kiselintegrerad fotonik och litografi.

Vuckovics team löste problemet med hjälp av inverterade designalgoritmer som hennes labb har utvecklat. Dessa algoritmer tillät forskarna att arbeta bakåt, genom att ange hur mycket ljusenergi de ville att chipet skulle leverera, och ge programvaran i uppdrag att föreslå hur man bygger de rätta nanoskala strukturerna som krävs för att fotonerna ska komma i korrekt kontakt med elektronflödet.

"Ibland, omvänd design kan producera lösningar som en mänsklig ingenjör kanske inte har tänkt på, "sade R. Joel England, en SLAC-personalvetare och medförfattare på Vetenskap papper.

Designalgoritmen kom med en chiplayout som verkar nästan utomjordisk. Tänk dig nanoskala mesas, åtskilda av en kanal, etsad av kisel. Elektroner som strömmar genom kanalen driver en bygel av kiseltrådar, peta genom kanjonväggen på strategiska platser. Varje gång lasern pulserar - vilket den gör 100, 000 gånger i sekunden - ett utbrott av fotoner träffar ett gäng elektroner, påskynda dem framåt. Allt detta sker i mindre än ett hårs bredd, på ytan av ett vakuumförslutet kiselchip, gjord av teammedlemmar på Stanford.

Forskarna vill accelerera elektroner till 94 procent av ljusets hastighet, eller 1 miljon elektronvolt (1MeV), att skapa ett partikelflöde som är tillräckligt kraftfullt för forskning eller medicinska ändamål. Detta prototypchip ger bara ett enda steg i acceleration, och elektronflödet måste passera runt 1, 000 av dessa steg för att uppnå 1MeV. Men det är inte så skrämmande som det kan tyckas, sa Vuckovic, eftersom denna prototypaccelerator-on-a-chip är en helt integrerad krets. Det betyder att alla de kritiska funktioner som behövs för att skapa acceleration är inbyggda i chipet, och att öka dess kapacitet borde vara rimligt enkelt.

Forskarna planerar att packa tusen accelerationsstadier i ungefär en tum chiputrymme i slutet av 2020 för att nå sitt 1MeV -mål. Även om det skulle vara en viktig milstolpe, en sådan enhet skulle fortfarande bli blek vid sidan av SLAC -forskningsacceleratorns funktioner, som kan generera energinivåer 30, 000 gånger större än 1MeV. Men Byer tror att precis som transistorer så småningom ersatte vakuumrör inom elektronik, ljusbaserade enheter kommer en dag att utmana möjligheterna hos mikrovågsdrivna acceleratorer.

Under tiden, i väntan på att utveckla en 1MeV -accelerator på ett chip, elingenjör Olav Solgaard, en medförfattare på tidningen, har redan påbörjat arbetet med en möjlig cancerbekämpande ansökan. I dag, elektroner med hög energi används inte för strålbehandling eftersom de skulle bränna huden. Solgaard arbetar på ett sätt att kanalisera högenergi-elektroner från en chipstor accelerator genom ett kateterliknande vakuumrör som kan sättas in under huden, precis vid en tumör, med hjälp av partikelstrålen för att administrera strålterapi kirurgiskt.

"Vi kan dra medicinska fördelar av miniatyriseringen av acceleratorteknologi utöver forskningsapplikationerna, Sa Solgaard.