ナノフォトニック空洞にレーザーを照射することで電子が加速 – Physics World

シリコンチップ上のレーザー駆動粒子加速器は、XNUMX つの独立した研究グループによって作成されました。 さらに改良を加えれば、このような誘電体レーザー加速器は医療や産業で使用できるようになり、さらには高エネルギー素粒子物理学の実験にも応用できるようになるでしょう。

電子を高エネルギーまで加速することは、通常、大規模で高価な施設で長距離にわたって行われます。 たとえば、ドイツにある欧州 X 線自由電子レーザーの中心部にある電子加速器は長さ 3.4 km、カリフォルニアにあるスタンフォード線形加速器 (SLAC) は長さ 3.2 km でした。

その結果、医療や産業における電子加速器の実用化は厳しく制限されている。 加速器ベースの素粒子物理学ではサイズとコストも要因であり、より高い衝突エネルギーに達するにつれて施設は大型化し、より高価になっています。

波に乗るサーファー

従来の加速器では、金属空洞内の電場のマイクロ波振動が、進行波に乗るサーファーのように電子を加速します。 最大加速勾配は通常、XNUMX メートルあたり数十メガボルトで、キャビティ内の金属コンポーネント間に存在できる最大電場によって定義されます。

「[金属]表面で何が起こっているのかを正確に知っている人は誰もいませんし、これはまだ活発な研究分野です...しかし、フィールドが大きくなりすぎると、小さな小さなピラミッドのようなものが表面で成長し、その後電子が噴き出し、フィールドが崩壊します」 」と言う ピーター・ホメルホフ ドイツのエアランゲン・ニュルンベルク・フリードリヒ・アレクサンダー大学の博士号を取得。

従来の加速器のコストと技術的課題は、研究者が代替の加速方法の開発に熱心であることを意味します。 この最新の研究では、シリコンナノ構造で作られた小さな光空洞にレーザーパルスを照射することによって振動電場が生成される。

ホンメルホフ氏は、光周波数の光で駆動されるナノフォトニック空洞を使っても電子の加速が達成できることに物理学者が気づくまでにほぼXNUMX年かかったという。 光の使用は、放射線の波長がマイクロ波の波長よりもはるかに短いため、デバイスの小型化に役立ちます。

金属は不要です

ホンメルホフ氏は、このアプローチのもう XNUMX つの重要な利点を指摘します。「これらの周波数をレーザー光で駆動する場合、金属構造は必要ありません。」 彼はさらに、「普通のガラスを使えば十分です…そして、マイクロ波空洞やマイクロ波場で生成できるのと同じモードを生成できます。」と付け加えています。

キャビティは絶縁体であるため、表面上の点に高濃度の電荷は現れません。 その結果、加速度勾配に対する唯一の制限は、材料の絶縁破壊電界になります。

原理的には、これにより粒子加速器のナノフォトニクス統合が可能になり、小さな正確に集束されたビームラインで電子の束を生成することができます。 ただし、現実的な課題もあります。 各束内の電子は互いに反発し、束を保持するには外力による集束が必要です。 さらに、束を一方向に圧縮すると、他の方向に広がります。

反発力の問題

以前の研究では、Hommelhoff や オラフ・ソルガード カリフォルニアのスタンフォード大学の研究者らは、この反発問題が交互位相集束を使用して軽減できることを実証しました。 この技術では、電子が交互に一方向に閉じ込められ、次にもう一方の方向に閉じ込められ、振動する場の分布が生成されます。

現在、これらの加速器に関する新しい研究が XNUMX つの独立した研究グループによって行われています。 XNUMXつはフリードリヒ・アレクサンダー大学のホンメルホフ氏が率いていた。 もう XNUMX つのグループは、ソルガード率いるスタンフォード大学の科学者と、ソルガード率いるドイツのダルムシュタット工科大学の研究者との共同研究でした。 ウーヴェ・ニーダーマイヤー。 両チームは、電子バンチを破壊することなくそのエネルギーを高めるナノフォトニック誘電体レーザー加速器を開発した。 ソルガード氏とニーダーマイヤー氏のチームは 96 つの加速器を製造しました。25 つはスタンフォードで設計され、もう 708 つはダルムシュタット工科大学で設計されました。 XNUMX つの加速器は、わずか XNUMX μm の距離で XNUMX keV 電子のエネルギーを XNUMX% 増加させました。 これは人間の髪の毛の約XNUMX倍の太さです。

「私はこれまで他の誰よりも多くの力を電子に加えたと思います」とソルガード氏は言います。

Hommelhoff グループの装置はより低いエネルギーで動作し、28.4 μm にわたって電子を 40.7 keV から 500 keV まで加速しました。 ホメルホフ氏が説明するように、これには独自の課題が伴いました。 「非相対論的である電子を加速したい場合、電子の場合、電子は光の XNUMX 分の XNUMX の速度でしか移動しませんが、電子とともに伝播する光学モードを生成するのはそれほど簡単ではなく、効率も低くなります。」

より高度な内訳フィールド

研究者らは現在、シリコンよりも高い絶縁破壊電界を持つ材料でデバイスを製造することで、さらに高い電界勾配を実現しようとしている。 彼らは、近い将来、その加速スキームが医療画像処理や暗黒物質の探索に応用できると信じています。

新しい粒子加速器は湾曲したレーザービームによって駆動される

ソルガード氏は、「これが高エネルギー物理学で役割を果たすと考えているのはごく少数派かもしれない」が、この技術は従来の破壊電界のほぼ1000倍である石英などの材料にも使用できるはずだと述べている。アクセル。 「私たちのミリメートルはメートルになります」と彼は言います。 「メーターに到達するまでに、エネルギーは SLAC に匹敵するはずです。私のオフィスに SLAC に匹敵する加速器を置くことを考えてください。」

「これら（XNUMX つのチーム）は、チップ上の真のアクセラレータに向けた重要な新たな一歩を実証したと思います」とアクセラレータ科学者は語る カーステン・ウェルシュ 英国リバプール大学の博士号を取得。 ただし、ビーム制御と小型診断に関してはやるべきことがまだ多く残っていると同氏は警告する。 応用分野に関して、彼は次のように述べています。「電子を必要な場所に届けるカテーテルのような医療応用、特に私が個人的に最大の可能性を見出している小型光源に対する彼らの楽観的な見方には私も共感します。 高品質の電子ビームと光を組み合わせることで、まったく新しい研究の機会と応用が開かれる可能性があります。」

しかし、ウェルシュ氏は粒子衝突器などの用途については依然として納得しておらず、そのような機械には高輝度と高ビーム品質が必要であると指摘している。 「次の大型ハドロン衝突型加速器は誘電体レーザー加速器ではないでしょう」と彼は結論づけています。

ホンメルホフと同僚は自分たちの研究について次のように説明しています。 自然。 Solgaard 氏、Niedermeyer 氏らは、自分たちの研究について説明します。 arXivの.

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