Stanford-forskare närmar sig att bygga en liten elektronaccelerator baserad på "accelerator-on-a-chip"-teknik med breda potentiella tillämpningar för att studera fysik såväl som medicinsk och industriell användning.
Forskarna har visat att en dielektrisk kisellaseraccelerator, eller DLA, nu kan både påskynda och begränsa elektroner och skapa en fokuserad stråle av högenergielektroner. "Om elektronerna var mikroskopiska bilar, är det som om vi för första gången styr och vi har foten på gasen", säger Payton Broaddus, Ph.D. '23 i elektroteknik och huvudförfattare på en artikel publicerad i Physical Review Letters den 23 februari som beskriver genombrottet.
Acceleratorer producerar högenergipartikelstrålar som gör det möjligt för fysiker att studera materials egenskaper, producera fokuserade sonder för medicinska tillämpningar och identifiera de elementära byggstenarna som utgör all materia i universum. Några av de tidigaste högenergipartikelacceleratorerna, utvecklade på 1930-talet, kunde passa på en bordsskiva.
Men högre partikelenergi krävdes för att studera mer avancerad fysik, så forskare behövde bygga större system. (Den ursprungliga linjäracceleratortunneln vid SLAC National Accelerator Laboratory på Stanford campus startades 1966 och är nästan 3 mil lång.)
Även om dessa system har möjliggjort många upptäckter inom partikelfysik, är Broaddus motiverad att bygga en liten linjäraccelerator som så småningom kan konkurrera med maskiners kapacitet mer än tusen gånger dess storlek, till en bråkdel av kostnaden.
Detta skulle också möjliggöra nya tillämpningar inom medicin, som att kunna fästa denna enhet på en liten sond och exakt skjuta en elektronstråle mot en tumör. "Det finns möjligheten att helt och hållet ersätta varannan partikelaccelerator med något som är billigare och mindre", sa han.
Tack vare framsteg inom tillverkning i nanoskala och lasrar blir denna vision alltmer möjlig, säger Olav Solgaard, chef för Edward L. Ginzton Laboratory och Robert L. och Audrey S. Hancock professor vid School of Engineering och senior författare om tidningen.
Traditionella radiofrekvensacceleratorer är uppbyggda av kopparhåligheter som pumpas med radiovågor, vilket ger partiklar en energikick. Dessa pulser kan värma upp metallen, så kaviteterna måste arbeta med lägre energi och pulshastigheter för att avleda värmen och undvika smältning.
Men glas- och kiselstrukturer kan hantera mycket högre energipulser från lasrar utan att värmas upp, så de kan vara mycket kraftfullare samtidigt som de är mindre. För ungefär 10 år sedan började Stanford-forskare experimentera med strukturer i nanostorlek gjorda av dessa material.
2013 visade ett team under ledning av pappersmedförfattaren Robert Byer, William R. Kenan, jr. professor, emeritus, att en liten glasaccelerator med pulserande infrarött ljus hade framgångsrikt accelererat elektroner. Dessa resultat ledde till att projektet antogs av Gordon and Betty Moore Foundation under det internationella samarbetet Accelerator on a Chip (ACHIP) för att producera en mega-elektronvoltsaccelerator i skokartong.
Men den här första "acceleratorn på ett chip" hade fortfarande några kinks att lösa. Som Broaddus uttrycker det var elektronerna inuti som bilar på en smal väg utan ratt. De kunde accelerera väldigt snabbt men lika lätt krascha in i en vägg.
Nu har detta team av Stanford-forskare framgångsrikt visat att de också kan styra elektroner på nanoskala. För att göra detta byggde de en kiselstruktur med en sub-mikron kanal placerad i ett vakuumsystem. De injicerade elektroner i ena änden och belyste strukturen från båda sidor med en formad laserpuls som gav kickar av kinetisk energi. Med jämna mellanrum växlade laserfälten mellan fokuserings- och defokuseringsegenskaper, vilket hopade elektronerna och hindrade dem från att svänga ur spåret.
Sammantaget verkade denna kedja av acceleration, defokusering och fokusering på elektronerna ett avstånd på nästan en millimeter. Det kanske inte låter långt, men dessa laddade partiklar fick en rejäl kick och fick 23,7 kilo-elektronvolt energi, ungefär 25 % större än deras startenergi. Accelerationshastigheten som teamet har kunnat uppnå i sin prototyp av små acceleratorer är jämförbar med konventionella kopparacceleratorer, och Broaddus tillägger att mycket högre accelerationshastigheter är möjliga.
Även om det är ett betydande steg framåt, finns det mer som måste göras innan dessa små acceleratorer kan användas inom industri, medicin och forskning. Hittills har lagets förmåga att styra elektroner begränsats till två dimensioner; tredimensionell elektroninneslutning kommer att krävas för att acceleratorn ska vara tillräckligt lång för att större energivinster ska uppstå.
En systerforskargrupp vid Friedrich Alexander University (FAU) i Erlangen, Tyskland, demonstrerade nyligen en liknande enhet med en enda laser och med mycket lägre startenergi. Den och Stanford-enheten kommer i slutändan att ingå i ett slags elektronrelälopp, sa Broaddus.
Denna framtida stafett skulle ha tre lagkamrater:FAU-enheten skulle ta lågenergielektroner och ge dem en första kick, och sedan skulle de kunna matas in i en enhet liknande den som Broaddus utvecklar. Det sista steget för elektronerna skulle vara en accelerator gjord av glas, som den som utvecklats av Byer. Glas kan motstå ännu större stötar med lasrar än kisel, vilket gör att acceleratorn kan aktiveras ytterligare och trycka elektronerna mot ljusets hastighet.
Så småningom tror Solgaard att en sådan liten accelerator kommer att vara användbar i högenergifysik, och utforskar den grundläggande materien som utgör universum precis som dess större motsvarigheter gör. "Vi har en väldigt, väldigt lång väg att gå", sa han. Men han är fortfarande optimistisk och tillägger, "vi har tagit de första stegen."
Mer information: Payton Broaddus et al, Subrelativistic Alternating Phase Focusing Dielectric Laser Accelerators, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.085001
Tillhandahålls av Stanford University
