Partikelacceleratorer är avgörande verktyg inom en mängd olika områden inom industri, forskning och den medicinska sektorn. Det utrymme som dessa maskiner kräver sträcker sig från några kvadratmeter till stora forskningscentra. Att använda lasrar för att accelerera elektroner inom en fotonisk nanostruktur utgör ett mikroskopiskt alternativ med potential att generera betydligt lägre kostnader och göra enheter betydligt mindre skrymmande.
Hittills har inga betydande energivinster påvisats. Det har med andra ord inte visats att elektronerna verkligen har ökat i hastighet nämnvärt. Ett team av laserfysiker vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu lyckats demonstrera den första nanofotoniska elektronacceleratorn – samtidigt som kollegor från Stanford University. Forskarna från FAU har nu publicerat sina resultat i tidskriften Nature .
När människor hör "partikelaccelerator" kommer de flesta förmodligen att tänka på Large Hadron Collider i Genève, den cirka 27 kilometer långa ringformade tunneln som forskare från hela världen använde för att forska om okända elementarpartiklar. Sådana enorma partikelacceleratorer är dock undantaget. Vi är mer benägna att stöta på dem på andra platser i vårt dagliga liv, till exempel vid medicinska bildbehandlingsförfaranden eller under strålning för att behandla tumörer.
Redan då är enheterna dock flera meter stora och fortfarande ganska skrymmande, med utrymme för förbättringar vad gäller prestanda. I ett försök att förbättra och minska storleken på befintliga enheter arbetar fysiker runt om i världen med dielektrisk laseracceleration, även känd som nanofotonacceleratorer. Strukturerna de använder är bara 0,5 millimeter långa, och kanalen som elektronerna accelereras genom är bara ungefär 225 nanometer bred, vilket gör dessa acceleratorer lika små som ett datorchip.
Partiklar accelereras av ultrakorta laserpulser som belyser nanostrukturerna. "Drömmen skulle vara att placera en partikelaccelerator på ett endoskop för att kunna administrera strålbehandling direkt på det drabbade området i kroppen", förklarar Dr. Tomáš Chlouba, en av de fyra huvudförfattarna till den nyligen publicerade artikeln.
Den här drömmen kan fortfarande vara långt bortom räckhåll för FAU-teamet från ordföranden för laserfysik under ledning av prof. Dr. Peter Hommelhoff och bestående av Dr. Tomáš Chlouba, Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner och Julian Litzel, men de har nu lyckats ta ett avgörande steg i rätt riktning genom att demonstrera den nanofotoniska elektronacceleratorn. "För första gången kan vi verkligen tala om en partikelaccelerator på ett chip", säger Dr. Roy Shiloh.
För drygt två år sedan gjorde teamet sitt första stora genombrott:de lyckades använda metoden alternating phase focusing (APF) från accelerationsteorins tidiga dagar för att kontrollera flödet av elektroner i en vakuumkanal över långa avstånd. Detta var det första stora steget på vägen mot att bygga en partikelaccelerator. Allt som behövdes för att få stora mängder energi var acceleration.
"Med den här tekniken har vi nu lyckats inte bara styra elektroner utan också att accelerera dem i dessa nanotillverkade strukturer över en längd av en halv millimeter", förklarar Stefanie Kraus. Även om detta kanske inte låter som en stor framgång för många, är det en stor framgång för området acceleratorfysik. "Vi fick energi på 12 kiloelektronvolt. Det är en energiökning på 43 procent", förklarar Leon Brückner.
För att accelerera partiklarna över så stora avstånd (sett från nanoskalan) kombinerade FAU-fysikerna APF-metoden med specialutvecklade pelarformade geometriska strukturer.
Denna demonstration är dock bara början. Nu är syftet att öka vinsten i energi och elektronström till en sådan grad att partikelacceleratorn på ett chip räcker för tillämpningar inom medicin. För att detta ska vara fallet måste energivinsten ökas med en faktor på cirka 100.
"För att uppnå högre elektronströmmar vid högre energier vid utgången av strukturen måste vi expandera strukturerna eller placera flera kanaler bredvid varandra", förklarar Tomáš Chlouba nästa steg för FAU-laserfysikerna.
Mer information: Tomáš Chlouba, Koherent nanofotonisk elektronaccelerator, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06602-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Friedrich–Alexander University Erlangen–Nurnberg
