Ηλεκτρόνια που επιταχύνονται με εκτόξευση λέιζερ σε νανοφωτονικές κοιλότητες - Physics World

Οι επιταχυντές σωματιδίων που κινούνται με λέιζερ σε τσιπ πυριτίου έχουν δημιουργηθεί από δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες. Με περαιτέρω βελτιώσεις, τέτοιοι διηλεκτρικοί επιταχυντές λέιζερ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην ιατρική και τη βιομηχανία - και θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογή σε πειράματα φυσικής σωματιδίων υψηλής ενέργειας.

Η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων σε υψηλές ενέργειες γίνεται συνήθως σε μεγάλες αποστάσεις σε μεγάλες και ακριβές εγκαταστάσεις. Ο επιταχυντής ηλεκτρονίων στην καρδιά του ευρωπαϊκού λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ στη Γερμανία, για παράδειγμα, έχει μήκος 3.4 km και ο Γραμμικός Επιταχυντής Stanford (SLAC) στην Καλιφόρνια είχε μήκος 3.2 km.

Ως αποτέλεσμα, η χρήση επιταχυντών ηλεκτρονίων για πρακτικές εφαρμογές στην ιατρική και τη βιομηχανία περιορίζεται σοβαρά. Το μέγεθος και το κόστος είναι επίσης παράγοντες της σωματιδιακής φυσικής που βασίζεται σε επιταχυντές, όπου οι εγκαταστάσεις γίνονται μεγαλύτερες και ακριβότερες καθώς προσεγγίζουν υψηλότερες ενέργειες σύγκρουσης.

Σέρφερ σε ένα κύμα

Σε έναν συμβατικό επιταχυντή, οι μικροκυματικές ταλαντώσεις των ηλεκτρικών πεδίων σε μεταλλικές κοιλότητες επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια όπως οι σέρφερ σε ένα κύμα που ταξιδεύει. Η μέγιστη κλίση επιτάχυνσης είναι συνήθως μερικές δεκάδες μεγαβολτ ανά μέτρο και ορίζεται από το μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να υπάρχει μεταξύ μεταλλικών στοιχείων σε μια κοιλότητα.

«Κανείς δεν ξέρει ακριβώς τι συμβαίνει στη [μεταλλική] επιφάνεια και αυτό είναι ακόμα ένα ενεργό πεδίο έρευνας…αλλά όταν τα πεδία γίνονται πολύ μεγάλα, κάτι σαν μικροσκοπικές μικρές πυραμίδες αναπτύσσονται στην επιφάνεια, και τότε τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται και το πεδίο απλώς καταρρέει », λέει Peter Hommelhoff του Πανεπιστημίου Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg στη Γερμανία.

Το κόστος και οι τεχνολογικές προκλήσεις των συμβατικών επιταχυντών σημαίνουν ότι οι ερευνητές επιθυμούν να αναπτύξουν εναλλακτικές μεθόδους επιτάχυνσης. Σε αυτήν την τελευταία έρευνα, τα ταλαντευόμενα ηλεκτρικά πεδία δημιουργούνται με την εκτόξευση παλμών λέιζερ σε μικροσκοπικές οπτικές κοιλότητες που κατασκευάζονται από νανοδομές πυριτίου.

Ο Hommelhoff λέει ότι χρειάστηκαν σχεδόν τριάντα χρόνια πριν οι φυσικοί συνειδητοποιήσουν ότι η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων θα μπορούσε επίσης να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας νανοφωτονικές κοιλότητες που οδηγούνται από φως οπτικής συχνότητας. Η χρήση οπτικού φωτός βοηθά στη μείωση της κλίμακας της συσκευής επειδή το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι πολύ μικρότερο από αυτό των μικροκυμάτων.

Δεν απαιτείται μέταλλο

Ο Hommelhoff επισημαίνει ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης: «Όταν οδηγείτε αυτές τις συχνότητες με φως λέιζερ, δεν χρειάζεστε μεταλλικές κατασκευές». Και προσθέτει, «Αρκεί αν χρησιμοποιείτε απλώς κανονικό γυαλί…και μπορείτε να δημιουργήσετε την ίδια λειτουργία που μπορείτε να δημιουργήσετε με τις κοιλότητες μικροκυμάτων και τα πεδία μικροκυμάτων».

Καθώς η κοιλότητα είναι μονωτής, δεν εμφανίζονται υψηλές συγκεντρώσεις φορτίου σε σημεία της επιφάνειας. Ως αποτέλεσμα, το μόνο όριο στην κλίση της επιτάχυνσης είναι το πεδίο ηλεκτρικής διάσπασης του υλικού.

Κατ' αρχήν, αυτό επιτρέπει τη νανοφωτονική ενσωμάτωση ενός επιταχυντή σωματιδίων, παράγοντας δέσμες ηλεκτρονίων σε μια μικροσκοπική, με ακρίβεια εστιασμένη γραμμή δέσμης. Ωστόσο, υπάρχουν πρακτικές προκλήσεις. Τα ηλεκτρόνια σε κάθε δέσμη απωθούν το ένα το άλλο και η συγκράτηση μιας δέσμης απαιτεί εστίαση από εξωτερικές δυνάμεις. Επιπλέον, η συμπίεση μιας δέσμης προς μία κατεύθυνση προκαλεί την εξάπλωσή της προς άλλες κατευθύνσεις.

Πρόβλημα απώθησης

Σε προηγούμενη εργασία, ερευνητές συμπεριλαμβανομένων των Hommelhoff και Olav Solgaard του Πανεπιστημίου Στάνφορντ στην Καλιφόρνια απέδειξαν ότι αυτό το πρόβλημα απώθησης θα μπορούσε να μετριαστεί χρησιμοποιώντας εναλλασσόμενη εστίαση φάσης. Σε αυτή την τεχνική, τα ηλεκτρόνια περιορίζονται εναλλάξ στη μία κατεύθυνση και μετά στην άλλη, παράγοντας μια κατανομή ταλαντούμενου πεδίου.

Τώρα, νέα εργασία σε αυτούς τους επιταχυντές έχει γίνει από δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες. Το ένα είχε επικεφαλής τον Hommelhoff στο Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander. Η άλλη ομάδα ήταν μια συνεργασία μεταξύ επιστημόνων του Stanford με επικεφαλής τον Solgaard και ερευνητές στο TU Darmstadt στη Γερμανία με επικεφαλής τον Uwe Niedermeyer. Και οι δύο ομάδες δημιούργησαν νανοφωτονικούς διηλεκτρικούς επιταχυντές λέιζερ που ενίσχυαν την ενέργεια των δεσμίδων ηλεκτρονίων χωρίς να διασπαστούν οι δέσμες. Η ομάδα του Solgaard και του Niedermeyer κατασκεύασε δύο επιταχυντές – έναν σχεδιασμένο στο Stanford και έναν στο TU Darmstadt. Ένας επιταχυντής αύξησε την ενέργεια των ηλεκτρονίων των 96 keV κατά 25% σε απόσταση μόλις 708 μm. Αυτό είναι περίπου δέκα φορές το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας.

«Νομίζω ότι έχω ασκήσει περισσότερη δύναμη σε ένα ηλεκτρόνιο από οποιονδήποτε άλλον ποτέ», λέει ο Solgaard.

Η συσκευή της ομάδας Hommelhoff λειτούργησε σε χαμηλότερες ενέργειες, επιταχύνοντας τα ηλεκτρόνια από 28.4 keV σε 40.7 keV πάνω από 500 μm. Αυτό παρουσίασε τις δικές του προκλήσεις, όπως εξηγεί ο Hommelhoff. «Όταν θέλετε να επιταχύνετε ηλεκτρόνια που δεν είναι σχετικιστικά –στην περίπτωσή μας ταξιδεύουν μόνο με το ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός– δεν είναι τόσο εύκολο και λιγότερο αποτελεσματικό να δημιουργήσετε τον οπτικό τρόπο που διαδίδεται μαζί με τα ηλεκτρόνια».

Πεδία υψηλότερης ανάλυσης

Οι ερευνητές προσπαθούν τώρα να επιτύχουν ακόμη υψηλότερες κλίσεις πεδίου κατασκευάζοντας συσκευές σε υλικά με υψηλότερα πεδία διάσπασης από το πυρίτιο. Πιστεύουν ότι βραχυπρόθεσμα τα σχήματα επιτάχυνσής τους θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογές στην ιατρική απεικόνιση και στις αναζητήσεις για σκοτεινή ύλη.

Ο νέος επιταχυντής σωματιδίων κινείται από καμπύλες ακτίνες λέιζερ

Ο Solgaard λέει ότι «μπορεί να είναι σε μια πολύ μικρή μειοψηφία πιστεύοντας ότι αυτό θα παίξει ρόλο στη φυσική υψηλής ενέργειας», αλλά ότι η τεχνολογία θα πρέπει να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υλικά όπως ο χαλαζίας, του οποίου το πεδίο διάσπασης είναι σχεδόν 1000 φορές μεγαλύτερο από αυτό ενός παραδοσιακού επιταχυντής. «Το χιλιοστό μας γίνεται μέτρο», λέει. «Μέχρι να φτάσουμε σε ένα μέτρο, θα πρέπει να ταιριάξουμε με το SLAC σε ενέργεια…Σκεφτείτε να υπάρχει ένα γκάζι στο γραφείο μου που ταιριάζει με το SLAC».

«Νομίζω ότι αυτές οι [δύο ομάδες] έχουν επιδείξει ένα σημαντικό νέο βήμα προς έναν πραγματικό επιταχυντή σε ένα τσιπ», λέει ο επιστήμονας επιταχυντή. Carsten Welsch του Πανεπιστημίου του Λίβερπουλ στο Ηνωμένο Βασίλειο. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι απομένουν πολλά να γίνουν όσον αφορά τον έλεγχο δέσμης και τη μικροσκοπική διάγνωση. Όσον αφορά τις εφαρμογές, λέει: «Συμμερίζομαι την αισιοδοξία τους για ιατρικές εφαρμογές που μοιάζουν με καθετήρες, φέρνοντας ηλεκτρόνια εκεί που χρειάζονται, και ειδικότερα για πηγές μίνι φωτός όπου προσωπικά βλέπω τις μεγαλύτερες δυνατότητες. Ο συνδυασμός υψηλής ποιότητας δέσμης ηλεκτρονίων και φωτός θα μπορούσε πραγματικά να ανοίξει εντελώς νέες ερευνητικές ευκαιρίες και εφαρμογές».

Ωστόσο, ο Welsch παραμένει πεπεισμένος για εφαρμογές όπως οι επιταχυντές σωματιδίων, επισημαίνοντας την απαιτούμενη υψηλή φωτεινότητα και ποιότητα υψηλής δέσμης που απαιτούνται σε τέτοια μηχανήματα. «Ο επόμενος Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων δεν θα είναι ένας διηλεκτρικός επιταχυντής λέιζερ», καταλήγει.

Ο Hommelhoff και οι συνεργάτες του περιγράφουν τη δουλειά τους στο Φύση. Ο Solgaard, ο Niedermeyer και οι συνεργάτες του περιγράφουν τη δουλειά τους arXiv.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/