Elettroni accelerati sparando laser in cavità nanofotoniche – Physics World

Elettroni accelerati sparando laser in cavità nanofotoniche – Physics World

Timestamp: 25 ottobre 2023 4:38

Acceleratore laser dielettrico
Piccolo dispositivo: fotografia del microchip contenente l'acceleratore laser dielettrico dell'Università Friedrich-Alexander. Per confronto viene mostrata una moneta da un centesimo di euro. (Immagine: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel)

Due gruppi di ricerca indipendenti hanno creato acceleratori di particelle guidati da laser su chip di silicio. Con ulteriori miglioramenti, tali acceleratori laser dielettrici potrebbero essere utilizzati in medicina e nell’industria – e potrebbero persino trovare applicazione negli esperimenti di fisica delle particelle ad alta energia.

L'accelerazione degli elettroni ad alte energie viene normalmente eseguita su lunghe distanze in strutture grandi e costose. L’acceleratore di elettroni nel cuore del laser europeo a elettroni liberi a raggi X in Germania, ad esempio, è lungo 3.4 km e lo Stanford Linear Accelerator (SLAC) in California era lungo 3.2 km.

Di conseguenza, l’uso degli acceleratori di elettroni per applicazioni pratiche in medicina e nell’industria è fortemente limitato. Dimensioni e costi sono anche fattori determinanti nella fisica delle particelle basata sugli acceleratori, dove le strutture stanno diventando sempre più grandi e costose man mano che raggiungono energie di collisione più elevate.

Surfisti su un'onda

Negli acceleratori convenzionali, le oscillazioni a microonde dei campi elettrici nelle cavità metalliche accelerano gli elettroni come i surfisti su un'onda in movimento. Il gradiente di accelerazione massimo è tipicamente di poche decine di megavolt per metro ed è definito dal campo elettrico massimo che può esistere tra i componenti metallici in una cavità.

"Nessuno sa esattamente cosa sta succedendo sulla superficie [metallica] e questo è ancora un campo di ricerca attivo... ma quando i campi diventano troppo grandi qualcosa come minuscole piramidi crescono sulla superficie, e poi gli elettroni vengono spruzzati e il campo semplicemente si rompe ," dice Pietro Hommelhoff dell’Università Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg in Germania.

I costi e le sfide tecnologiche degli acceleratori convenzionali fanno sì che i ricercatori siano interessati a sviluppare metodi di accelerazione alternativi. In quest’ultima ricerca, i campi elettrici oscillanti vengono creati sparando impulsi laser in minuscole cavità ottiche costituite da nanostrutture di silicio.

Hommelhoff afferma che ci sono voluti quasi trent'anni prima che i fisici si rendessero conto che l'accelerazione degli elettroni poteva essere ottenuta anche utilizzando cavità nanofotoniche guidate dalla luce a frequenza ottica. L'uso della luce ottica aiuta a ridimensionare il dispositivo perché la lunghezza d'onda della radiazione è molto più corta di quella delle microonde.

Nessun metallo richiesto

Hommelhoff sottolinea un altro importante vantaggio di questo approccio: “Quando si guidano queste frequenze con la luce laser, non sono necessarie strutture metalliche”. E aggiunge: "Basta usare semplicemente il vetro normale... e puoi generare la stessa modalità che puoi generare con le cavità e i campi di microonde".

Dato che la cavità è un isolante, in alcuni punti della superficie non si formano alte concentrazioni di carica. Di conseguenza, l'unico limite al gradiente di accelerazione è il campo di scarica elettrica del materiale.

In linea di principio, ciò consente l’integrazione nanofotonica di un acceleratore di particelle, producendo gruppi di elettroni in una linea di luce minuscola e focalizzata con precisione. Tuttavia, ci sono sfide pratiche. Gli elettroni in ciascun gruppo si respingono a vicenda e per tenere insieme un gruppo è necessaria la focalizzazione da parte di forze esterne. Inoltre, la compressione di un grappolo in una direzione ne provoca la diffusione in altre direzioni.

Problema di repulsione

Nel lavoro precedente, ricercatori tra cui Hommelhoff e Olav Solgaard dell'Università di Stanford in California hanno dimostrato che questo problema di repulsione potrebbe essere mitigato utilizzando la focalizzazione a fase alternata. In questa tecnica, gli elettroni vengono confinati alternativamente in una direzione e poi nell’altra, producendo una distribuzione del campo oscillante.

Ora, un nuovo lavoro su questi acceleratori è stato svolto da due gruppi di ricerca indipendenti. Uno è stato guidato da Hommelhoff presso l'Università Friedrich-Alexander. L'altro gruppo era una collaborazione tra scienziati di Stanford guidati da Solgaard e ricercatori della TU Darmstadt in Germania guidati da Uwe Niedermeyer. Entrambi i team hanno creato acceleratori laser dielettrici nanofotonici che hanno aumentato l'energia dei gruppi di elettroni senza che i gruppi si rompessero. Il team di Solgaard e Niedermeyer ha fabbricato due acceleratori: uno progettato a Stanford e uno alla TU Darmstadt. Un acceleratore ha aumentato l’energia degli elettroni da 96 keV del 25% su una distanza di soli 708 μm. Questo è circa dieci volte lo spessore di un capello umano.

"Penso di aver esercitato su un elettrone più forza di chiunque altro abbia mai esercitato", afferma Solgaard.

Il dispositivo del gruppo Hommelhoff funzionava a energie più basse, accelerando gli elettroni da 28.4 keV a 40.7 keV su 500 μm. Ciò presentava le proprie sfide, come spiega Hommelhoff. “Quando si vogliono accelerare elettroni che non sono relativistici – nel nostro caso viaggiano solo con un terzo della velocità della luce – non è così facile ed è meno efficiente generare la modalità ottica che si co-propaga con gli elettroni”.

Campi di suddivisione più elevati

I ricercatori stanno ora cercando di ottenere gradienti di campo ancora più elevati fabbricando dispositivi in ​​materiali con campi di rottura più elevati rispetto al silicio. Credono che nel breve termine i loro programmi di accelerazione potrebbero trovare applicazioni nell’imaging medico e nella ricerca della materia oscura.

Solgaard dice che “potrebbe far parte di una piccola minoranza che pensa che questo avrà un ruolo nella fisica delle alte energie”, ma che la tecnologia dovrebbe essere utilizzabile in materiali come il quarzo, il cui campo di rottura è quasi 1000 volte quello di un tradizionale quarzo. acceleratore. “Il nostro millimetro diventa un metro”, dice; "Quando arriviamo a un metro dovremmo eguagliare lo SLAC in energia... Pensa di avere un acceleratore nel mio ufficio che eguagli lo SLAC."

"Penso che questi [due team] abbiano dimostrato un nuovo importante passo avanti verso un vero acceleratore su chip", afferma lo scienziato dell'acceleratore Carsten Welsch dell’Università di Liverpool nel Regno Unito. Tuttavia, avverte che resta ancora molto da fare in termini di controllo del raggio e diagnostica in miniatura. In termini di applicazioni, afferma: “Condivido il loro ottimismo per le applicazioni mediche simili ai cateteri, che portano gli elettroni dove sono necessari, e in particolare per le mini-sorgenti luminose dove personalmente vedo il maggiore potenziale. La combinazione di un fascio di elettroni e di luce di alta qualità potrebbe davvero aprire opportunità di ricerca e applicazioni completamente nuove”.

Tuttavia, Welsch non è convinto riguardo ad applicazioni come i collisori di particelle, sottolineando l'elevata luminosità e la qualità del fascio abbagliante richieste in tali macchine. “Il prossimo Large Hadron Collider non sarà un acceleratore laser dielettrico”, conclude.

Hommelhoff e colleghi descrivono il loro lavoro in Natura. Solgaard, Niedermeyer e colleghi descrivono il loro lavoro su arXiv.

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