I ett framsteg som dramatiskt kan minska partikelacceleratorer för vetenskap och medicin, forskare använde en laser för att accelerera elektroner med en hastighet 10 gånger högre än konventionell teknik i ett nanostrukturerat glaschip som är mindre än ett riskorn.

Prestationen rapporterades idag i Natur av ett team inklusive forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University.

"Vi har fortfarande ett antal utmaningar innan den här tekniken blir praktisk för verklig användning, men så småningom skulle det avsevärt minska storleken och kostnaderna för framtida högenergipartikelkolliderare för att utforska världen av grundläggande partiklar och krafter, sa Joel England, SLAC-fysikern som ledde experimenten. "Det kan också hjälpa till att möjliggöra kompakta acceleratorer och röntgenenheter för säkerhetsskanning, medicinsk terapi och bildbehandling, och forskning inom biologi och materialvetenskap."

Eftersom den använder kommersiella lasrar och låg kostnad, massproduktionstekniker, forskarna tror att det kommer att skapa förutsättningar för nya generationer av "bordsacceleratorer".

Med sin fulla potential, den nya "acceleratorn på ett chip" kan matcha accelerationskraften hos SLAC:s 2 mil långa linjäraccelerator på bara 100 fot, och leverera en miljon fler elektronpulser per sekund.

Denna första demonstration uppnådde en accelerationsgradient, eller mängden energi per längd, på 300 miljoner elektronvolt per meter. Det är ungefär 10 gånger den acceleration som den nuvarande linjära SLAC-acceleratorn ger.

"Vårt slutmål för den här strukturen är 1 miljard elektronvolt per meter, och vi är redan en tredjedel av vägen i vårt första experiment, " sa Stanford Professor Robert Byer, huvudforskaren för denna forskning.

Dagens acceleratorer använder mikrovågor för att öka elektronernas energi. Forskare har letat efter mer ekonomiska alternativ, och denna nya teknik, som använder ultrasnabba lasrar för att driva acceleratorn, är en ledande kandidat.

Partiklar accelereras i allmänhet i två steg. Först förstärks de till nästan ljusets hastighet. Sedan ökar varje ytterligare acceleration deras energi, men inte deras hastighet; det här är den utmanande delen.

I accelerator-på-ett-chip-experimenten, elektroner accelereras först till nära ljushastighet i en konventionell accelerator. Sedan fokuseras de till en liten, en halv mikron hög kanal i ett smält kiseldioxidglasflis på bara en halv millimeter lång. Kanalen hade mönstrats med exakt åtskilda nanoskala åsar. Infrarött laserljus som lyser på mönstret genererar elektriska fält som interagerar med elektronerna i kanalen för att öka deras energi. (Se den medföljande animationen för mer information.)

Att göra acceleratorn på ett chip till en fullvärdig bordsaccelerator kommer att kräva ett mer kompakt sätt att få elektronerna i fart innan de går in i enheten.

En samarbetande forskargrupp i Tyskland, ledd av Peter Hommelhoff vid Max Planck Institute of Quantum Optics, har letat efter en sådan lösning. Den rapporterar in samtidigt Fysiska granskningsbrev dess framgång med att använda en laser för att accelerera elektroner med lägre energi.

Ansökningar om dessa nya partikelacceleratorer skulle gå långt utöver partikelfysikforskning. Byer sa att laseracceleratorer kunde driva kompakta röntgenfria elektronlasrar, jämförbar med SLAC:s Linac Coherent Light Source, som är allsidiga verktyg för ett brett spektrum av forskning.

En annan möjlig tillämpning är liten, bärbara röntgenkällor för att förbättra sjukvården för människor som skadats i strid, samt tillhandahålla mer prisvärd medicinsk bildbehandling för sjukhus och laboratorier. Det är ett av målen för Defense Advanced Research Projects Agencys (DARPA) Advanced X-Ray Integrated Sources (AXiS) program, som delvis finansierade denna forskning. Primär finansiering för denna forskning kommer från DOE:s Office of Science.