नैनोफोटोनिक गुहाओं में लेज़रों को फायर करके इलेक्ट्रॉनों को त्वरित किया गया - भौतिकी विश्व

सिलिकॉन चिप्स पर लेजर-चालित कण त्वरक दो स्वतंत्र अनुसंधान समूहों द्वारा बनाए गए हैं। आगे के सुधारों के साथ, ऐसे ढांकता हुआ लेजर त्वरक का उपयोग चिकित्सा और उद्योग में किया जा सकता है - और यहां तक ​​कि उच्च-ऊर्जा कण भौतिकी प्रयोगों में भी इसका उपयोग किया जा सकता है।

इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा में त्वरित करना आम तौर पर बड़ी और महंगी सुविधाओं पर लंबी दूरी पर किया जाता है। उदाहरण के लिए, जर्मनी में यूरोपीय एक्स-रे फ्री इलेक्ट्रॉन लेजर के केंद्र में इलेक्ट्रॉन त्वरक 3.4 किमी लंबा है और कैलिफोर्निया में स्टैनफोर्ड लीनियर एक्सेलेरेटर (एसएलएसी) 3.2 किमी लंबा था।

परिणामस्वरूप, चिकित्सा और उद्योग में व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए इलेक्ट्रॉन त्वरक का उपयोग गंभीर रूप से प्रतिबंधित है। त्वरक-आधारित कण भौतिकी में आकार और लागत भी कारक हैं, जहां उच्च टकराव ऊर्जा तक पहुंचने के साथ-साथ सुविधाएं बड़ी और अधिक महंगी होती जा रही हैं।

लहर पर तैरनेवाला

एक पारंपरिक त्वरक में, धातु के गुहाओं में विद्युत क्षेत्रों के माइक्रोवेव दोलन एक यात्रा तरंग पर सर्फ़र की तरह इलेक्ट्रॉनों को गति देते हैं। अधिकतम त्वरण प्रवणता आमतौर पर कुछ दर्जन मेगावोल्ट प्रति मीटर होती है, और इसे अधिकतम विद्युत क्षेत्र द्वारा परिभाषित किया जाता है जो एक गुहा में धातु घटकों के बीच मौजूद हो सकता है।

"कोई नहीं जानता कि वास्तव में [धातु] सतह पर क्या हो रहा है और यह अभी भी अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है...लेकिन जब खेत बहुत बड़े हो जाते हैं तो सतह पर छोटे छोटे पिरामिड जैसी कोई चीज़ उग आती है, और फिर इलेक्ट्रॉनों का छिड़काव होता है और मैदान टूट जाता है , “कहते हैं पीटर होमेलहॉफ़ जर्मनी में फ्रेडरिक-अलेक्जेंडर विश्वविद्यालय एर्लांगेन-नूर्नबर्ग का।

पारंपरिक त्वरक की लागत और तकनीकी चुनौतियों का मतलब है कि शोधकर्ता वैकल्पिक त्वरण विधियों को विकसित करने के इच्छुक हैं। इस नवीनतम शोध में, सिलिकॉन नैनोस्ट्रक्चर से बने छोटे ऑप्टिकल गुहाओं में लेजर दालों को फायर करके दोलनशील विद्युत क्षेत्र बनाए जाते हैं।

होमेलहॉफ का कहना है कि भौतिकविदों को यह एहसास होने में लगभग तीस साल लग गए कि ऑप्टिकल-आवृत्ति प्रकाश द्वारा संचालित नैनोफोटोनिक गुहाओं का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन त्वरण भी प्राप्त किया जा सकता है। ऑप्टिकल प्रकाश का उपयोग करने से डिवाइस को स्केल करने में मदद मिलती है क्योंकि विकिरण की तरंग दैर्ध्य माइक्रोवेव की तुलना में बहुत कम होती है।

किसी धातु की आवश्यकता नहीं

होमेलहॉफ इस दृष्टिकोण का एक और महत्वपूर्ण लाभ बताते हैं: "जब आप इन आवृत्तियों को लेजर प्रकाश के साथ चलाते हैं, तो आपको धातु संरचनाओं की आवश्यकता नहीं होती है"। वह कहते हैं, "यह पर्याप्त है यदि आप केवल नियमित ग्लास का उपयोग करते हैं... और आप वही मोड उत्पन्न कर सकते हैं जो आप माइक्रोवेव गुहाओं और माइक्रोवेव फ़ील्ड के साथ उत्पन्न कर सकते हैं"।

चूंकि गुहा एक इन्सुलेटर है, सतह पर बिंदुओं पर चार्ज की उच्च सांद्रता दिखाई नहीं देती है। परिणामस्वरूप, त्वरण प्रवणता की एकमात्र सीमा सामग्री का विद्युत विखंडन क्षेत्र है।

सिद्धांत रूप में, यह एक कण त्वरक के नैनोफोटोनिक एकीकरण की अनुमति देता है, जो एक छोटी, सटीक-केंद्रित बीमलाइन में इलेक्ट्रॉनों के समूह का उत्पादन करता है। हालाँकि, व्यावहारिक चुनौतियाँ हैं। प्रत्येक गुच्छा में इलेक्ट्रॉन एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं और एक गुच्छा को एक साथ रखने के लिए बाहरी ताकतों द्वारा ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, एक झुंड के एक दिशा में संपीड़न के कारण यह अन्य दिशाओं में फैल जाता है।

प्रतिकर्षण समस्या

पिछले काम में, होमेलहॉफ और सहित शोधकर्ता ओलाव सोलगार्ड कैलिफोर्निया में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने प्रदर्शित किया है कि वैकल्पिक चरण फोकसिंग का उपयोग करके इस प्रतिकर्षण समस्या को कम किया जा सकता है। इस तकनीक में, इलेक्ट्रॉनों को बारी-बारी से एक दिशा में और फिर दूसरी दिशा में सीमित किया जाता है, जिससे एक दोलनशील क्षेत्र वितरण उत्पन्न होता है।

अब, इन त्वरक पर नया काम दो स्वतंत्र अनुसंधान समूहों द्वारा किया गया है। एक का नेतृत्व फ्रेडरिक-अलेक्जेंडर विश्वविद्यालय में होमेलहॉफ़ ने किया था। दूसरा समूह सोलगार्ड के नेतृत्व में स्टैनफोर्ड वैज्ञानिकों और जर्मनी में टीयू डार्मस्टेड के शोधकर्ताओं के बीच एक सहयोग था। उवे निडरमेयर. दोनों टीमों ने नैनोफोटोनिक ढांकता हुआ लेजर त्वरक बनाया, जो इलेक्ट्रॉन समूहों की ऊर्जा को बढ़ा देता है, बिना समूहों को तोड़े। सोलगार्ड और निडरमेयर की टीम ने दो त्वरक बनाए - एक स्टैनफोर्ड में डिज़ाइन किया गया और एक टीयू डार्मस्टेड में। एक त्वरक ने केवल 96 μm की दूरी पर 25 केवी इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को 708% तक बढ़ा दिया। यह मानव बाल की मोटाई से लगभग दस गुना अधिक है।

सोलगार्ड कहते हैं, "मुझे लगता है कि मैंने किसी भी अन्य की तुलना में इलेक्ट्रॉन पर अधिक बल लगाया है।"

होमेलहॉफ़ समूह का उपकरण कम ऊर्जा पर काम करता था, जो 28.4 μm से अधिक 40.7 केवी से 500 केवी तक इलेक्ट्रॉनों को त्वरित करता था। जैसा कि होमेलहॉफ़ बताते हैं, इसने अपनी चुनौतियाँ प्रस्तुत कीं। "जब आप गैर-सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉनों को तेज करना चाहते हैं - हमारे मामले में वे प्रकाश की गति की केवल एक तिहाई के साथ यात्रा करते हैं - यह इतना आसान नहीं है और इलेक्ट्रॉनों के साथ सह-प्रसार करने वाले ऑप्टिकल मोड को उत्पन्न करना कम कुशल है।"

उच्चतर ब्रेकडाउन फ़ील्ड

शोधकर्ता अब सिलिकॉन की तुलना में उच्च ब्रेकडाउन फ़ील्ड वाली सामग्रियों में उपकरण बनाकर और भी उच्च फ़ील्ड ग्रेडिएंट प्राप्त करना चाह रहे हैं। उनका मानना ​​है कि निकट भविष्य में उनकी त्वरण योजनाएं मेडिकल इमेजिंग और डार्क मैटर की खोज में अनुप्रयोग पा सकती हैं।

नया कण त्वरक घुमावदार लेजर बीम द्वारा संचालित होता है

सोल्गार्ड का कहना है कि वह "बहुत कम लोग यह सोच सकते हैं कि यह उच्च-ऊर्जा भौतिकी में एक भूमिका निभाएगा," लेकिन यह तकनीक क्वार्ट्ज जैसी सामग्रियों में प्रयोग करने योग्य होनी चाहिए, जिसका टूटना क्षेत्र पारंपरिक से लगभग 1000 गुना अधिक है। त्वरक. “हमारा मिलीमीटर एक मीटर बन जाता है,” वह कहते हैं; "जब तक हम मीटर तक पहुँचते हैं, तब तक हमें ऊर्जा में एसएलएसी से मेल खाना चाहिए... मेरे कार्यालय में एसएलएसी से मेल खाने वाला एक त्वरक रखने के बारे में सोचें।"

त्वरक वैज्ञानिक कहते हैं, "मुझे लगता है कि इन [दो टीमों] ने चिप पर वास्तविक त्वरक की दिशा में एक महत्वपूर्ण नया कदम प्रदर्शित किया है।" कार्स्टन वेल्श ब्रिटेन में लिवरपूल विश्वविद्यालय के. हालाँकि, वह आगाह करते हैं कि बीम नियंत्रण और लघु निदान के संदर्भ में बहुत कुछ किया जाना बाकी है। अनुप्रयोगों के संदर्भ में, वह कहते हैं: “मैं कैथेटर जैसे चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए उनकी आशावाद को साझा करता हूं, जहां इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, और विशेष रूप से मिनी-लाइट स्रोतों के लिए जहां मैं व्यक्तिगत रूप से सबसे बड़ी क्षमता देखता हूं। उच्च गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रॉन किरण और प्रकाश का संयोजन वास्तव में पूरी तरह से नए अनुसंधान अवसरों और अनुप्रयोगों को खोल सकता है।

हालाँकि, वेल्श कण कोलाइडर जैसे अनुप्रयोगों के बारे में असंबद्ध है, जो ऐसी मशीनों में आवश्यक उच्च चमक और उच्च बीम गुणवत्ता की ओर इशारा करता है। "अगला लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर एक ढांकता हुआ लेजर त्वरक नहीं होगा," उन्होंने निष्कर्ष निकाला।

होमेलहॉफ़ और सहकर्मियों ने अपने काम का वर्णन किया प्रकृति. सोल्गार्ड, नीडेरमेयर और सहकर्मियों ने अपने काम का वर्णन किया arXiv.

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/