Lézerek nanofotonikus üregekbe való tüzelésével felgyorsított elektronok – Fizika világa

A szilícium chipeken lézerrel hajtott részecskegyorsítókat két független kutatócsoport készített. További fejlesztésekkel az ilyen dielektromos lézergyorsítókat az orvostudományban és az iparban is felhasználhatnák – és akár nagyenergiájú részecskefizikai kísérletekben is alkalmazhatók lennének.

Az elektronok nagy energiára gyorsítása általában nagy távolságokra történik nagy és drága létesítményekben. A németországi European X-ray Free Electron Laser szívében található elektrongyorsító például 3.4 km hosszú, a kaliforniai Stanford Linear Accelerator (SLAC) pedig 3.2 km hosszú.

Ennek eredményeként az elektrongyorsítók gyakorlati alkalmazása az orvostudományban és az iparban erősen korlátozott. A méret és a költség is tényező a gyorsító alapú részecskefizikában, ahol a létesítmények egyre nagyobbak és drágábbak, mivel nagyobb ütközési energiát érnek el.

Szörfösök a hullámon

A hagyományos gyorsítókban a fémes üregekben lévő elektromos mezők mikrohullámú rezgései felgyorsítják az elektronokat, mint a szörfösök egy utazó hullámon. A maximális gyorsulási gradiens jellemzően néhány tucat megavolt méterenként, és az üregben lévő fém alkatrészek között fennálló maximális elektromos tér határozza meg.

„Senki sem tudja pontosan, mi történik a [fémes] felületen, és ez még mindig aktív kutatási terület… de amikor a mezők túl nagyok lesznek, akkor valami apró piramisok nőnek ki a felszínen, majd elektronok spriccelnek ki, és a mező egyszerűen lebomlik. ”, mondja Hommelhoff Péter a németországi Erlangen-Nürnberg Friedrich-Alexander Egyetemen.

A hagyományos gyorsítók költségei és technológiai kihívásai azt jelentik, hogy a kutatók szívesen dolgoznak ki alternatív gyorsítási módszereket. Ebben a legújabb kutatásban az oszcilláló elektromos mezőket lézerimpulzusok szilícium nanoszerkezetekből készült apró optikai üregekbe való tüzelésével hozzák létre.

Hommelhoff szerint csaknem harminc évbe telt, mire a fizikusok rájöttek, hogy az elektrongyorsítás az optikai frekvenciájú fény által vezérelt nanofoton üregekkel is elérhető. Az optikai fény használata segít a készülék méretének csökkentésében, mivel a sugárzás hullámhossza sokkal rövidebb, mint a mikrohullámoké.

Fém nem szükséges

Hommelhoff kiemeli ennek a megközelítésnek egy másik fontos előnyét: „Ha lézerfénnyel hajtja meg ezeket a frekvenciákat, nincs szüksége fémszerkezetekre”. Hozzáteszi: „Elég, ha csak normál üveget használ… és ugyanazt a módot tudja létrehozni, mint a mikrohullámú üregekkel és mikrohullámú mezőkkel”.

Mivel az üreg szigetelő, ezért a felület pontjain nem jelenik meg nagy töltéskoncentráció. Ennek eredményeként a gyorsulási gradiens egyetlen korlátja az anyag elektromos áttörési mezeje.

Ez elvileg lehetővé teszi egy részecskegyorsító nanofotonikus integrációját, amely elektroncsokorokat állít elő egy apró, pontosan fókuszált nyalábvonalban. Vannak azonban gyakorlati kihívások. Az egyes kötegekben lévő elektronok taszítják egymást, és egy köteg összetartásához külső erők általi fókuszálásra van szükség. Ezen túlmenően, ha egy csomót összenyomnak az egyik irányban, az elterjed más irányba.

Taszítási probléma

A korábbi munkákban a kutatók többek között Hommelhoff és Olav Solgaard A kaliforniai Stanford Egyetem munkatársai bebizonyították, hogy ez a taszítási probléma enyhíthető váltakozó fázisú fókuszálással. Ebben a technikában az elektronokat felváltva az egyik, majd a másik irányba korlátozzák, oszcilláló téreloszlást hozva létre.

Most két független kutatócsoport új munkát végzett ezekkel a gyorsítókkal. Az egyiket Hommelhoff vezette a Friedrich-Alexander Egyetemen. A másik csoport a Solgaard által vezetett stanfordi tudósok és a németországi TU Darmstadt kutatói között jött létre. Uwe Niedermeyer. Mindkét csapat nanofotonikus dielektromos lézergyorsítókat készített, amelyek növelték az elektroncsokor energiáját anélkül, hogy a kötegek szétesnének. Solgaard és Niedermeyer csapata két gyorsítót gyártott – egyet a Stanfordban, egyet pedig a TU Darmstadtban. Az egyik gyorsító 96%-kal növelte a 25 keV-os elektronok energiáját mindössze 708 μm távolságban. Ez körülbelül tízszer akkora, mint az emberi hajszál vastagsága.

„Azt hiszem, nagyobb erőt fektettem egy elektronra, mint bárki más valaha” – mondja Solgaard.

A Hommelhoff-csoport készüléke alacsonyabb energiákon működött, 28.4 μm felett 40.7 keV-ról 500 keV-ra gyorsította az elektronokat. Ez felvetette a maga kihívásait, ahogy Hommelhoff kifejti. „Ha nem relativisztikus elektronokat akarunk gyorsítani – esetünkben csak a fénysebesség egyharmadával haladnak –, akkor nem olyan egyszerű és kevésbé hatékony az elektronokkal együtt terjedő optikai mód létrehozása.”

Magasabb bontási mezők

A kutatók most arra törekednek, hogy még nagyobb terepi gradienseket érjenek el azáltal, hogy a szilíciumnál nagyobb lebontási mezővel rendelkező anyagokból gyártanak eszközöket. Úgy vélik, hogy a gyorsítási sémáik a közeljövőben alkalmazásra találhatnak az orvosi képalkotásban és a sötét anyag kutatásában.

Az új részecskegyorsítót íves lézersugarak hajtják

Solgaard azt mondja, hogy "nagyon kis kisebbségben van abban a hiszemben, hogy ez szerepet fog játszani a nagyenergiájú fizikában", de a technológiának használhatónak kell lennie olyan anyagokban, mint a kvarc, amelynek lebontási tere majdnem 1000-szerese a hagyományosnak. gyorsító. „A milliméterünkből méter lesz” – mondja; „Mire elérünk egy métert, energiában meg kell felelnünk a SLAC-nak… Gondoljon arra, hogy az irodámban legyen egy gyorsító, amely megfelel a SLAC-nak.”

„Úgy gondolom, hogy ez a [két csapat] fontos új lépést tett a chipen lévő valódi gyorsító felé” – mondja a gyorsító tudós. Carsten Welsch a Liverpooli Egyetemen az Egyesült Királyságban. Arra azonban figyelmeztet, hogy még sok a tennivaló a sugárvezérlés és a miniatűr diagnosztika terén. Az alkalmazásokkal kapcsolatban a következőket mondja: „Osztom az optimizmusukat a katéterszerű orvosi alkalmazások iránt, amelyek az elektronokat oda juttatják oda, ahol szükség van rájuk, és különösen a mini fényforrások esetében, ahol én személy szerint a legnagyobb potenciált látom. A kiváló minőségű elektronsugár és a fény kombinációja valóban teljesen új kutatási lehetőségeket és alkalmazásokat nyithat meg.”

Welsch azonban továbbra sem győzi meg az olyan alkalmazásokat, mint a részecskeütközők, rámutatva az ilyen gépekhez szükséges nagy fényerőre és magas sugárminőségre. „A következő Large Hadron Collider nem egy dielektromos lézergyorsító lesz” – összegzi.

Hommelhoff és munkatársai ismertetik munkájukat Természet. Solgaard, Niedermeyer és munkatársai ismertetik munkájukat arXiv.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/