Partikelacceleratorer är viktiga verktyg inom forskningsområden som biologi, materialvetenskap och partikelfysik. Forskare letar alltid efter kraftfullare sätt att accelerera partiklar för att förbättra befintlig utrustning och öka kapaciteten för experiment. En sådan kraftfull teknik är dielektrisk laseracceleration (DLA). I detta tillvägagångssätt, partiklar accelereras i det optiska närfältet som skapas när ultrakorte laserpulser fokuseras på en nanofoton struktur. Med denna metod, forskare från ordföranden för laserfysik vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har lyckats leda elektroner genom en vakuumkanal, en väsentlig komponent i partikelacceleratorer. Grunddesignen för den fotoniska nanostrukturkanalen utvecklades av samarbetspartnern TU Darmstadt. De har nu publicerat sina gemensamma fynd i tidskriften Natur .

Håller fokus

Eftersom laddade partiklar tenderar att röra sig längre bort från varandra när de sprids, all acceleratorteknik står inför utmaningen att hålla partiklarna inom de nödvändiga rums- och tidsgränserna. Som ett resultat, partikelacceleratorer kan vara upp till tio kilometer långa, och innebär många års förberedelse och konstruktion innan de är klara att användas, för att inte tala om de stora investeringarna. Dielektrisk laseracceleration, eller DLA, använder ultra-snabb laserteknik och framsteg inom halvledarproduktion för att eventuellt minimera dessa acceleratorer till bara några millimeter eller centimeter i storlek.

Ett lovande tillvägagångssätt:Experiment har redan visat att DLA överstiger nuvarande teknik med minst 35 gånger. Detta innebär att längden på en potentiell accelerator kan minskas med samma faktor. Tills nu, dock, det var oklart om dessa siffror kan skalas upp för längre och längre strukturer.

Ett team av fysiker under ledning av professor Dr. Peter Hommelhoff från ordföranden för laserfysik vid FAU har tagit ett stort steg framåt för att anpassa DLA för användning i fullt fungerande acceleratorer. Deras arbete är det första som fastställer ett schema som kan användas för att styra elektronpulser över långa avstånd.

Teknik är nyckeln

Schemat, känd som 'alternerande fasfokusering' (APF) är en metod hämtad från acceleratorteorins tidiga dagar. En grundläggande fysikalisk lag innebär att fokusera laddade partiklar i alla tre dimensionerna samtidigt - bredd, höjd och djup - är omöjligt. Dock, detta kan undvikas genom att växelvis fokusera elektronerna i olika dimensioner. För det första, elektroner fokuseras med hjälp av en modulerad laserstråle, sedan 'driver' de genom en annan kort passage där inga krafter verkar på dem, innan de äntligen accelereras, vilket gör att de kan vägledas framåt.

I deras experiment, forskarna från FAU och TU Darmstadt införlivade en kolonnad av ovala pelare med korta mellanrum med jämna mellanrum, vilket resulterar i upprepande makroceller. Varje makrocell har antingen en fokuserande eller defokuserad effekt på partiklarna, beroende på fördröjningen mellan infallslasern, elektronen, och gapet som skapar den drivande sektionen. Denna inställning möjliggör exakt elektronfasutrymskontroll vid den optiska eller femto-sekunders ultratidsskala (en femto-sekund motsvarar en miljonedel av en miljarddel av en sekund). I experimentet, lyser en laser på strukturen visar en ökning av strålströmmen genom strukturen. Om en laser inte används, elektronerna styrs inte och kraschar gradvis in i kanalens väggar. "Det är väldigt spännande, "säger FAU -fysikern Johannes Illmer, medförfattare till publikationen. "Som jämförelse, den stora Hadron -kollideraren vid CERN använder 23 av dessa celler i en 2, 450 meter lång kurva. Vår nanostruktur använder fem liknande verkande celler på bara 80 mikrometer. "

När kan vi förvänta oss att få se den första DLA -acceleratorn?

"Resultaten är extremt viktiga, men för oss är det egentligen bara ett tillfälligt steg, "förklarar Dr Roy Shiloh, "och vårt slutmål är klart:Vi vill skapa en fullt fungerande accelerator-på ett mikrochip."

Arbetet inom detta område drivs av det internationella samarbetet "accelerator on a chip" (ACHIP), varav författarna är medlemmar. Samarbetet har redan bevisat att i teorin, APF kan justeras för att uppnå acceleration av elektronstrålar. Komplex, tredimensionella APF-inställningar skulle därför kunna ligga till grund för framtidens partikelacceleratorteknik. "Vi måste fånga elektronerna i alla tre dimensionerna om vi ska kunna accelerera dem över längre sträckor utan några förluster, "förklarar Dr. Uwe Niedermayer från TU Darmstadt, och medförfattare till publikationen.