Elektroner accelereret ved at affyre lasere ind i nanofotoniske hulrum – Physics World

Elektroner accelereret ved at affyre lasere ind i nanofotoniske hulrum – Physics World

Tidsstempel: 25. oktober 2023 kl. 4

Dielektrisk laseraccelerator
Lille enhed: fotografi af mikrochippen indeholdende Friedrich-Alexander University dielektriske laseraccelerator. En euromønt på én cent er vist til sammenligning. (Billede: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel)

Laserdrevne partikelacceleratorer på siliciumchips er blevet skabt af to uafhængige forskergrupper. Med yderligere forbedringer kan sådanne dielektriske laseracceleratorer bruges i medicin og industri - og kan endda finde anvendelse i højenergipartikelfysiske eksperimenter.

Acceleration af elektroner til høje energier sker normalt over lange afstande ved store og dyre anlæg. Elektronacceleratoren i hjertet af European X-ray Free Electron Laser i Tyskland er for eksempel 3.4 km lang, og Stanford Linear Accelerator (SLAC) i Californien var 3.2 km lang.

Som følge heraf er brugen af ​​elektronacceleratorer til praktiske anvendelser i medicin og industri stærkt begrænset. Størrelse og omkostninger er også faktorer i accelerator-baseret partikelfysik, hvor faciliteter bliver større og dyrere, efterhånden som de rækker ud efter højere kollisionsenergier.

Surfere på en bølge

I en konventionel accelerator accelererer mikrobølgeoscillationer af elektriske felter i metalliske hulrum elektroner som surfere på en rejsebølge. Den maksimale accelerationsgradient er typisk et par dusin megavolt per meter, og er defineret af det maksimale elektriske felt, der kan eksistere mellem metalliske komponenter i et hulrum.

"Ingen ved nøjagtigt, hvad der sker på den [metalliske] overflade, og dette er stadig et aktivt forskningsfelt... men når felterne bliver for store, vokser noget i retning af bittesmå små pyramider på overfladen, og så sprøjter elektroner ud, og feltet bryder bare sammen " siger Peter Hommelhoff fra Friedrich-Alexander Universitet Erlangen-Nürnberg i Tyskland.

Konventionelle acceleratorers omkostninger og teknologiske udfordringer betyder, at forskere er opsatte på at udvikle alternative accelerationsmetoder. I denne seneste forskning skabes de oscillerende elektriske felter ved at affyre laserimpulser ind i bittesmå optiske hulrum lavet af siliciumnanostrukturer.

Hommelhoff siger, at det tog næsten tredive år, før fysikere indså, at elektronacceleration også kunne opnås ved hjælp af nanofotoniske hulrum drevet af lys med optisk frekvens. Brug af optisk lys hjælper med at nedskalere enheden, fordi strålingens bølgelængde er meget kortere end mikrobølger.

Intet metal påkrævet

Hommelhoff påpeger en anden vigtig fordel ved denne tilgang: "Når du driver disse frekvenser med laserlys, behøver du ikke metalstrukturer". Han tilføjer, "Det er tilstrækkeligt, hvis du bare bruger almindeligt glas ... og du kan generere den samme tilstand, som du kan generere med mikrobølgehulrum og mikrobølgefelter".

Da hulrummet er en isolator, forekommer høje ladningskoncentrationer ikke på punkter på overfladen. Som følge heraf er den eneste grænse for accelerationsgradienten materialets elektriske nedbrydningsfelt.

I princippet giver dette mulighed for nanofotonisk integration af en partikelaccelerator, der producerer bundter af elektroner i en lille, præcist fokuseret strålelinje. Der er dog praktiske udfordringer. Elektronerne i hver flok frastøder hinanden, og at holde en flok sammen kræver fokusering af eksterne kræfter. Desuden bevirker komprimering af en flok i én retning, at den spredes i andre retninger.

Frastødende problem

I tidligere arbejde har forskere, herunder Hommelhoff og Olav Solgaard fra Stanford University i Californien har vist, at dette frastødningsproblem kunne afbødes ved hjælp af alternerende fasefokusering. I denne teknik er elektroner skiftevis begrænset i den ene retning og derefter den anden, hvilket producerer en oscillerende feltfordeling.

Nu er nyt arbejde med disse acceleratorer blevet udført af to uafhængige forskergrupper. Den ene blev ledet af Hommelhoff ved Friedrich-Alexander Universitet. Den anden gruppe var et samarbejde mellem Stanford-forskere ledet af Solgaard og forskere ved TU Darmstadt i Tyskland ledet af Uwe Niedermeyer. Begge hold skabte nanofotoniske dielektriske laseracceleratorer, der øgede energien af ​​elektronbundter, uden at bundterne gik i stykker. Solgaard og Niedermeyers team fremstillede to acceleratorer – en designet på Stanford og en på TU Darmstadt. En accelerator øgede energien af ​​96 keV elektroner med 25 % over en afstand på kun 708 μm. Dette er omkring ti gange tykkelsen af ​​et menneskehår.

"Jeg tror, ​​at jeg har lagt mere kraft på en elektron end nogen anden nogensinde," siger Solgaard.

Hommelhoff-gruppens enhed arbejdede ved lavere energier og accelererede elektroner fra 28.4 keV til 40.7 keV over 500 μm. Dette gav sine egne udfordringer, som Hommelhoff forklarer. "Når du vil accelerere elektroner, der er ikke-relativistiske - i vores tilfælde rejser de kun med en tredjedel af lysets hastighed - er det ikke så nemt, og det er mindre effektivt at generere den optiske tilstand, der forplanter sig sammen med elektronerne."

Højere opdelingsfelter

Forskerne søger nu at opnå endnu højere feltgradienter ved at fremstille enheder i materialer med højere nedbrydningsfelter end silicium. De mener, at deres accelerationsordninger på kort sigt kan finde anvendelse i medicinsk billeddannelse og i søgninger efter mørkt stof.

Solgaard siger, at han "måske er i et meget lille mindretal, der tror, ​​at dette kommer til at spille en rolle i højenergifysik," men at teknologien burde være anvendelig i materialer som kvarts, hvis nedbrydningsfelt er næsten 1000 gange større end en traditionel. accelerator. "Vores millimeter bliver en meter," siger han; "Når vi når en meter, burde vi matche SLAC i energi... Tænk på at have en accelerator siddende på mit kontor, der matcher SLAC."

"Jeg tror, ​​at disse [to hold] har demonstreret et vigtigt nyt skridt mod en rigtig accelerator på en chip," siger acceleratorforsker Carsten Welsch fra University of Liverpool i Storbritannien. Han advarer dog om, at der stadig er meget at gøre med hensyn til strålekontrol og miniaturediagnostik. Med hensyn til applikationer siger han: "Jeg deler deres optimisme for kateterlignende medicinske applikationer, at bringe elektroner derhen, hvor der er brug for dem, og især for minilyskilder, hvor jeg personligt ser det største potentiale. Kombinationen af ​​en højkvalitets elektronstråle og lys kunne virkelig åbne helt nye forskningsmuligheder og anvendelser."

Welsch er dog stadig ikke overbevist om applikationer som partikelkollidere, hvilket peger på den krævede høje lysstyrke og høje strålekvalitet, der er nødvendig i sådanne maskiner. "Den næste Large Hadron Collider vil ikke være en dielektrisk laseraccelerator," konkluderer han.

Hommelhoff og kolleger beskriver deres arbejde i Natur. Solgaard, Niedermeyer og kolleger beskriver deres arbejde vedr arXiv.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden