Впервые исследователи успешно использовали наноустройство для ускорения электронов. Ускорители частиц являются важным инструментом во многих областях, включая промышленность, исследования и медицину. Площадь, необходимая для этих машин, варьируется от нескольких квадратных метров до крупных исследовательских центров. Использование лазеров для ускорения электронов в фотонных наноструктурах — это микроскопическая альтернатива, которая потенциально может значительно снизить затраты и позволить устройствам быть значительно меньшими.
Пока нет никаких доказательств того, что этот подход может значительно увеличить энергию. Другими словами, не доказано, что скорость электронов действительно значительно возросла. Теперь команда лазерных физиков из Университета Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг (FAU) вместе с коллегами из Стэнфордского университета успешно продемонстрировала первый нанофотонный ускоритель электронов.
Ускорители частиц и их нанофотонная эволюция
Когда люди слышат слово «ускоритель частиц», большинство людей, вероятно, думают о Большом адроном коллайдере в ЦЕРНе в Женеве. Этот круглый туннель длиной 27 километров используется исследователями со всего мира для изучения неизвестных элементарных частиц. Однако этот гигантский ускоритель частиц является исключением. Мы с большей вероятностью столкнемся с ними в других местах нашей повседневной жизни, например, во время процедур медицинской визуализации или лучевого лечения опухолей. Однако даже в этом случае эти устройства по-прежнему имеют размеры в несколько метров, довольно громоздки и оставляют желать лучшего с точки зрения производительности.
Стремясь улучшить и уменьшить размеры существующих устройств, физики всего мира работают над диэлектрическими лазерными ускорителями, также известными как нанофотонные ускорители. Используемая ими структура имеет длину всего 0,5 миллиметра, а ширина канала, по которому ускоряются электроны, составляет всего около 225 нанометров, что делает эти ускорители такими же маленькими, как компьютерные чипы.
Частицы ускоряются ультракороткими лазерными импульсами, которые освещают наноструктуры. «Нашей мечтой было бы установить ускоритель частиц на эндоскопе, чтобы иметь возможность доставлять лучевую терапию непосредственно к пораженным частям тела», — объясняет доктор Томаш Хлоуба, один из четырех ведущих авторов недавно опубликованной статьи.
Эта мечта, возможно, все еще недостижима для команды FAU с кафедры лазерной физики, возглавляемой профессором Питером Хоммельхоффом и состоящей из докторов. Томаш Хлоуба, доктор Рой Шило, Стефани Краус, Леон Брюкнер и Юлиан Литцель, но теперь им удалось сделать решительный шаг в правильном направлении, продемонстрировав нанофотонный ускоритель электронов. Доктор Рой Шайло взволнованно сказал: «Впервые мы можем реализовать ускоритель частиц на чипе».
Управляемые электроны + ускорение = ускоритель частиц
Чуть более двух лет назад исследовательская группа совершила свой первый крупный прорыв: они успешно применили метод фазовой фокусировки (APF) из ранней теории ускорения для управления потоком электронов на большие расстояния в вакуумном канале. Это важный шаг на пути к созданию ускорителей частиц. Теперь все, что вам нужно, чтобы получить большую мощность, — это ускорение.
«Используя эту технику, нам теперь удалось не только направлять электроны, но и ускорять их в этих наноструктурах длиной до полмиллиметра», — объясняет Стефани Краус. «Хотя для многих это может показаться не таким уж большим достижением, это огромный успех в области физики ускорителей, и мы достигли энергии в 12 килоэлектронвольт», — объясняет Леон Брюкнер.
Чтобы ускорить частицы на такие большие расстояния (на уровне нанометров), физики ФАУ объединили метод APF со специально разработанной цилиндрической геометрией.
Однако эта демонстрация — только начало. Сейчас цель состоит в том, чтобы увеличить прирост энергии и электронного тока, чтобы встроенные в кристалл ускорители частиц были достаточными для медицинских применений. Для этого выигрыш в энергии должен быть увеличен примерно в 100 раз. Томаш Хлоуба объясняет, что будет дальше с лазерными физиками FAU.
Результаты исследований эрлангенских лазерных физиков почти одновременно представили их коллеги из Стэнфордского университета в США: их результаты сейчас находятся на рассмотрении, но их можно просмотреть в базе данных. В рамках проекта, финансируемого Фондом Гордона и Бетти Мур, обе команды совместно работают над созданием «ускорителя на чипе».
«В 2015 году у FAU и команды ACHIP под руководством Стэнфорда было видение революционного подхода к проектированию ускорителей частиц», — сказал доктор Гэри Гринберг из Фонда Гордона и Бетти Мур. «Мы рады, что наша поддержка помогла воплотить это видение в реальность».