Elektronit kiihdytetään ampumalla lasereita nanofotonisiin onteloihin – Physics World

Laserkäyttöiset hiukkaskiihdyttimet piisiruille ovat luoneet kaksi riippumatonta tutkimusryhmää. Lisäparannuksilla tällaisia ​​dielektrisiä laserkiihdyttimiä voitaisiin käyttää lääketieteessä ja teollisuudessa – ja niitä voitaisiin käyttää jopa korkean energian hiukkasfysiikan kokeissa.

Elektronien kiihdyttäminen suuriin energioihin tehdään yleensä pitkiä matkoja suurissa ja kalliissa tiloissa. Esimerkiksi Saksassa sijaitsevan European X-ray Free Electron Laserin ytimessä oleva elektronikiihdytin on 3.4 km pitkä ja Kaliforniassa sijaitseva Stanford Linear Accelerator (SLAC) oli 3.2 km pitkä.

Tämän seurauksena elektronikiihdyttimien käyttöä käytännön sovelluksissa lääketieteessä ja teollisuudessa rajoitetaan ankarasti. Koko ja hinta ovat myös tekijöitä kiihdytinpohjaisessa hiukkasfysiikassa, jossa tilat kasvavat ja kallistuvat, kun ne saavuttavat suurempia törmäysenergiaa.

Surffaajia aallolla

Perinteisissä kiihdyttimissä metallisten onteloiden sähkökenttien mikroaaltovärähtelyt kiihdyttävät elektroneja kuten surffaajia liikkuvalla aallolla. Suurin kiihtyvyysgradientti on tyypillisesti muutama kymmenkunta megavottia metriä kohden, ja sen määrittelee suurin sähkökenttä, joka voi esiintyä metallisten komponenttien välillä ontelossa.

"Kukaan ei tiedä tarkalleen, mitä [metalli]pinnalla tapahtuu, ja tämä on edelleen aktiivinen tutkimuskenttä... mutta kun kentät kasvavat liian suuriksi, pinnalle kasvaa pienten pyramidien kaltaisia ​​pieniä pyramideja, ja sitten elektronit suihkuttavat ulos ja kenttä vain hajoaa. ”, sanoo Peter Hommelhoff Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnbergissä Saksassa.

Perinteisten kiihdytinten kustannukset ja tekniset haasteet tarkoittavat sitä, että tutkijat ovat innokkaita kehittämään vaihtoehtoisia kiihdytysmenetelmiä. Tässä uusimmassa tutkimuksessa värähteleviä sähkökenttiä luodaan ampumalla laserpulsseja pieniin piinanorakenteista tehtyihin optisiin onteloihin.

Hommelhoff sanoo, että kesti lähes kolmekymmentä vuotta ennen kuin fyysikot ymmärsivät, että elektronien kiihtyvyys voidaan saavuttaa myös käyttämällä optisen taajuuden valon ohjaamia nanofotonisia onteloita. Optisen valon käyttö pienentää laitetta, koska säteilyn aallonpituus on paljon lyhyempi kuin mikroaaltojen.

Metallia ei tarvita

Hommelhoff korostaa tämän lähestymistavan toisen tärkeän edun: ”Kun ajetaan näitä taajuuksia laservalolla, et tarvitse metallirakenteita”. Hän lisää: "Riittää, jos käytät vain tavallista lasia... ja voit luoda saman tilan, jonka voit luoda mikroaaltoonteloilla ja mikroaaltokentillä."

Koska onkalo on eriste, korkeita varauspitoisuuksia ei esiinny pinnan kohdissa. Tämän seurauksena kiihtyvyysgradientin ainoa raja on materiaalin sähköinen läpilyöntikenttä.

Periaatteessa tämä mahdollistaa hiukkaskiihdyttimen nanofotonisen integroinnin, mikä tuottaa elektronikimppuja pienessä, tarkasti fokusoidussa sädelinjassa. Käytännön haasteita kuitenkin on. Jokaisessa joukossa olevat elektronit hylkivät toisiaan ja nipun pitäminen yhdessä vaatii ulkoisten voimien fokusoinnin. Lisäksi nipun puristaminen yhteen suuntaan saa sen leviämään muihin suuntiin.

Repulsio-ongelma

Aikaisemmassa työssä tutkijat, mukaan lukien Hommelhoff ja Olav Solgaard Kalifornian Stanfordin yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että tätä hylkimisongelmaa voitaisiin lieventää käyttämällä vuorottelevaa vaihetarkennusta. Tässä tekniikassa elektronit rajoittuvat vuorotellen yhteen suuntaan ja sitten toiseen, jolloin syntyy värähtelevä kenttäjakauma.

Nyt kaksi riippumatonta tutkimusryhmää on tehnyt uutta työtä näiden kiihdyttimien parissa. Yhtä johti Hommelhoff Friedrich-Aleksanterin yliopistosta. Toinen ryhmä oli Solgaardin johtamien Stanfordin tiedemiesten ja Saksan TU Darmstadtin tutkijoiden yhteistyö. Uwe Niedermeyer. Molemmat ryhmät loivat nanofotonisia dielektrisiä laserkiihdyttimiä, jotka lisäsivät elektroninippujen energiaa niiden hajoamatta. Solgaard ja Niedermeyerin tiimi valmistivat kaksi kiihdytintä – yhden Stanfordissa ja toisen TU Darmstadtissa. Yksi kiihdytin lisäsi 96 keV elektronien energiaa 25 % vain 708 μm:n etäisyydellä. Tämä on noin kymmenen kertaa ihmisen hiuksen paksuus.

"Luulen, että olen kohdistanut elektroniin enemmän voimaa kuin kukaan muu koskaan", Solgaard sanoo.

Hommelhoff-ryhmän laite toimi pienemmillä energioilla kiihdyttäen elektroneja 28.4 keV:sta 40.7 keV:iin yli 500 μm:n. Tämä toi omat haasteensa, kuten Hommelhoff selittää. "Kun haluat kiihdyttää elektroneja, jotka eivät ole relativistisia - meidän tapauksessamme ne kulkevat vain kolmanneksella valon nopeudesta - se ei ole niin helppoa ja on vähemmän tehokasta luoda optinen moodi, joka etenee yhdessä elektronien kanssa."

Korkeammat erittelykentät

Tutkijat pyrkivät nyt saavuttamaan vielä suurempia kenttägradientteja valmistamalla laitteita materiaaleista, joiden hajoamiskentät ovat korkeammat kuin piillä. He uskovat, että lähitulevaisuudessa heidän kiihdytysohjelmiinsa voisi löytää sovelluksia lääketieteellisessä kuvantamisessa ja pimeän aineen etsinnöissä.

Uutta hiukkaskiihdytintä ohjataan kaarevilla lasersäteillä

Solgaard sanoo, että hän "saattaa olla hyvin pienessä vähemmistössä, joka ajattelee, että tällä tulee olemaan rooli korkean energian fysiikassa", mutta että teknologian pitäisi olla käyttökelpoinen materiaaleissa, kuten kvartsissa, jonka hajoamiskenttä on lähes 1000-kertainen perinteiseen. kiihdytin. "Millimetristämme tulee metri", hän sanoo; "Kun pääsemme metriin, meidän pitäisi vastata SLAC:n energiaa... Ajattele, että toimistossani istuisi kiihdytin, joka vastaa SLAC:ia."

"Mielestäni nämä [kaksi joukkuetta] ovat osoittaneet tärkeän uuden askeleen kohti todellista kiihdytintä sirulla", sanoo kiihdytintutkija. Carsten Welsch Liverpoolin yliopistosta Isossa-Britanniassa. Hän kuitenkin varoittaa, että paljon on vielä tehtävää säteen ohjauksen ja pienoisdiagnostiikan suhteen. Sovelluksista hän sanoo: "Jaan heidän optimismiinsa katetrin kaltaisiin lääketieteellisiin sovelluksiin, jotka tuovat elektroneja sinne, missä niitä tarvitaan, ja erityisesti minivalonlähteisiin, joissa näen henkilökohtaisesti suurimman potentiaalin. Korkealaatuisen elektronisuihkun ja valon yhdistelmä voi todella avata täysin uusia tutkimusmahdollisuuksia ja sovelluksia."

Welsch ei kuitenkaan ole vakuuttunut sellaisista sovelluksista, kuten hiukkasten törmäyslaitteet, ja osoittaa, että tällaisissa koneissa vaaditaan korkeaa valovoimaa ja korkeaa säteen laatua. "Seuraava Large Hadron Collider ei ole dielektrinen laserkiihdytin", hän päättää.

Hommelhoff ja kollegat kuvaavat työtään luonto. Solgaard, Niedermeyer ja kollegat kuvaavat työtään arXiv.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/