Elektronid, mida kiirendatakse laserite nanofotoonilistesse õõnsustesse süütamisega – Physics World

Silikoonkiipidel laseriga juhitavad osakeste kiirendid on loonud kaks sõltumatut uurimisrühma. Täiendavate täiustuste abil saaks selliseid dielektrilisi laserkiirendeid kasutada meditsiinis ja tööstuses – ja neid võib isegi kasutada suure energiaga osakeste füüsika katsetes.

Elektronide kiirendamine suure energiani toimub tavaliselt suurte ja kallite rajatiste juures pikkade vahemaade tagant. Näiteks Saksamaal asuva Euroopa röntgenkiirte vabade elektronide laseri keskmes olev elektronkiirend on 3.4 km pikkune ja Californias asuv Stanfordi lineaarkiirendi (SLAC) 3.2 km pikkune.

Selle tulemusena on elektronkiirendite kasutamine praktilistes rakendustes meditsiinis ja tööstuses rangelt piiratud. Suurus ja maksumus on tegurid ka kiirendipõhises osakeste füüsikas, kus rajatised muutuvad suuremaks ja kallimaks, kuna need saavutavad suurema kokkupõrkeenergia.

Surfarid lainel

Tavalistes kiirendites kiirendavad metalliõõnsuste elektriväljade mikrolainevõnked elektrone nagu surfarid liikuval lainel. Maksimaalne kiirenduse gradient on tavaliselt mõnikümmend megavolti meetri kohta ja selle määrab maksimaalne elektriväli, mis võib esineda õõnsuse metallosade vahel.

"Keegi ei tea täpselt, mis [metallilisel] pinnal toimub ja see on endiselt aktiivne uurimisvaldkond ... aga kui väljad muutuvad liiga suureks, kasvavad pinnale sellised väikesed püramiidid, mis seejärel pritsivad elektronid välja ja väli lihtsalt laguneb. ,” ütleb Peeter Hommelhoff Friedrich-Alexanderi Ülikooli Erlangen-Nürnbergis Saksamaal.

Tavaliste kiirendite kulud ja tehnoloogilised väljakutsed tähendavad, et teadlased on huvitatud alternatiivsete kiirendusmeetodite väljatöötamisest. Selles viimases uuringus luuakse võnkuvad elektriväljad laserimpulsside tulistamisel räninanostruktuuridest tehtud pisikestesse optilistesse õõnsustesse.

Hommelhoffi sõnul kulus peaaegu kolmkümmend aastat, enne kui füüsikud mõistsid, et elektronide kiirendust on võimalik saavutada ka optilise sagedusega valguse poolt juhitavate nanofotooniliste õõnsuste abil. Optilise valguse kasutamine aitab seadet vähendada, kuna kiirguse lainepikkus on palju lühem kui mikrolainetel.

Metalli pole vaja

Hommelhoff toob välja selle lähenemisviisi veel ühe olulise eelise: "Kui juhite neid sagedusi laservalgusega, ei vaja te metallkonstruktsioone". Ta lisab: "Piisab, kui kasutate lihtsalt tavalist klaasi... ja saate luua sama režiimi, mida saate luua mikrolaineõõnte ja mikrolaineväljadega."

Kuna õõnsus on isolaator, ei teki pinna punktides kõrgeid laengukontsentratsioone. Selle tulemusena on kiirenduse gradiendi ainsaks piiranguks materjali elektriline läbilöögiväli.

Põhimõtteliselt võimaldab see osakeste kiirendi nanofotonilist integreerimist, tekitades elektronide kimpu pisikeses, täpselt fokuseeritud valgusvihus. Siiski on praktilisi väljakutseid. Igas kimpus olevad elektronid tõrjuvad üksteist ja kimbu koos hoidmine nõuab väliste jõudude fokuseerimist. Veelgi enam, kimbu kokkusurumine ühes suunas põhjustab selle levimist teistes suundades.

Tõrjumise probleem

Varasemas töös on teadlased, sealhulgas Hommelhoff ja Olav Solgaard California Stanfordi ülikooli teadlased on näidanud, et seda tõrjumisprobleemi saab leevendada vahelduva faasi teravustamise abil. Selle tehnika puhul piiratakse elektronid vaheldumisi ühes ja seejärel teises suunas, tekitades võnkuva väljajaotuse.

Nüüd on nende kiirenditega uue töö teinud kaks sõltumatut uurimisrühma. Ühte juhtis Hommelhoff Friedrich-Alexanderi ülikoolis. Teine rühm oli koostöö Stanfordi teadlaste vahel, keda juhtis Solgaard, ja Saksamaal asuva TU Darmstadti teadlaste vahel, mida juhtisid Uwe Niedermeyer. Mõlemad meeskonnad lõid nanofotoonilised dielektrilised laserkiirendid, mis suurendasid elektronkimpude energiat, ilma et kimbud laguneksid. Solgaardi ja Niedermeyeri meeskond valmistas kaks kiirendit – ühe Stanfordis ja teise TU Darmstadtis. Üks kiirendi suurendas 96 keV elektronide energiat 25% vaid 708 μm kaugusel. See on umbes kümme korda suurem kui inimese juuksekarva paksus.

"Ma arvan, et olen elektronile rohkem jõudu pannud kui keegi teine," ütleb Solgaard.

Hommelhoffi grupi seade töötas madalama energiaga, kiirendades elektrone 28.4 keV-lt 40.7 keV-ni üle 500 μm. Nagu Hommelhoff selgitab, esitas see oma väljakutsed. "Kui soovite kiirendada elektrone, mis ei ole relativistlikud – meie puhul liiguvad nad ainult ühe kolmandiku valguse kiirusest –, pole see nii lihtne ja elektronidega koos leviva optilise režiimi genereerimine on vähem tõhus."

Kõrgemad jaotuse väljad

Teadlased püüavad nüüd saavutada veelgi suuremaid väljagradiente, valmistades seadmeid materjalidest, mille lagunemisväljad on suuremad kui räni. Nad usuvad, et lähiajal võivad nende kiirendusskeemid leida rakendusi meditsiinilises pildistamises ja tumeaine otsingutes.

Uut osakeste kiirendit juhivad kõverad laserkiired

Solgaard ütleb, et "võib olla väga väike vähemus, kes arvab, et see mängib rolli suure energiaga füüsikas", kuid see tehnoloogia peaks olema kasutatav sellistes materjalides nagu kvarts, mille lagunemisväli on peaaegu 1000 korda suurem kui traditsioonilisel. kiirendi. "Meie millimeetrist saab meeter," ütleb ta; "Selleks ajaks, kui jõuame meetrini, peaksime energialt ühtima SLAC-iga... Mõelge sellele, et minu kontoris oleks SLAC-ile vastav kiirendi."

"Ma arvan, et need [kaks meeskonda] on näidanud olulist uut sammu tõelise kiibil oleva kiirendi poole," ütleb kiirenditeadlane. Carsten Welsch Liverpooli ülikoolist Ühendkuningriigis. Siiski hoiatab ta, et tala juhtimise ja miniatuurse diagnostika osas on veel palju teha. Rakenduste kohta ütleb ta: „Jagan nende optimismi kateetrilaadsete meditsiiniliste rakenduste osas, mis toovad elektronid sinna, kus neid vaja on, ja eriti minivalgusallikate puhul, kus ma isiklikult näen suurimat potentsiaali. Kvaliteetse elektronkiire ja valguse kombinatsioon võib tõesti avada täiesti uusi uurimisvõimalusi ja rakendusi.

Siiski ei ole Welsch sellistes rakendustes nagu osakeste põrkajad veendunud, osutades sellistes masinates vajalikule suurele heleduse ja kõrge valgusvihu kvaliteedile. "Järgmine suur hadronite põrkur ei ole dielektriline laserkiirend," järeldab ta.

Hommelhoff ja kolleegid kirjeldavad oma tööd aastal loodus. Solgaard, Niedermeyer ja kolleegid kirjeldavad oma tööd arXiv.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/