Electronii accelerați prin tragerea laserelor în cavitățile nanofotonice – Physics World

Acceleratoarele de particule actionate cu laser pe cipuri de siliciu au fost create de doua grupuri independente de cercetare. Cu îmbunătățiri suplimentare, astfel de acceleratoare laser dielectrice ar putea fi utilizate în medicină și industrie - și ar putea chiar să găsească aplicații în experimentele de fizică a particulelor de înaltă energie.

Accelerarea electronilor la energii mari se face, în mod normal, pe distanțe lungi, la instalații mari și scumpe. Acceleratorul de electroni din inima laserului european cu raze X cu electroni liberi din Germania, de exemplu, are o lungime de 3.4 km, iar Acceleratorul Linear Stanford (SLAC) din California avea o lungime de 3.2 km.

Ca urmare, utilizarea acceleratoarelor de electroni pentru aplicații practice în medicină și industrie este sever restricționată. Dimensiunea și costul sunt, de asemenea, factori în fizica particulelor bazată pe accelerator, unde instalațiile devin mai mari și mai scumpe pe măsură ce ajung la energii de coliziune mai mari.

Surferi pe un val

Într-un accelerator convențional, oscilațiile cu microunde ale câmpurilor electrice din cavitățile metalice accelerează electronii ca surferii pe o undă care călătorește. Gradientul maxim de accelerație este de obicei de câteva zeci de megavolți pe metru și este definit de câmpul electric maxim care poate exista între componentele metalice dintr-o cavitate.

„Nimeni nu știe exact ce se întâmplă la suprafața [metalice] și acesta este încă un domeniu activ de cercetare... dar când câmpurile devin prea mari, ceva ca niște piramide mici cresc la suprafață, iar apoi electronii stropesc și câmpul pur și simplu se descompune. ”, spune Peter Hommelhoff al Universității Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg din Germania.

Costurile și provocările tehnologice ale acceleratoarelor convenționale înseamnă că cercetătorii sunt dornici să dezvolte metode alternative de accelerare. În această ultimă cercetare, câmpurile electrice oscilante sunt create prin tragerea de impulsuri laser în cavități optice minuscule realizate din nanostructuri de siliciu.

Hommelhoff spune că a durat aproape treizeci de ani până când fizicienii și-au dat seama că accelerarea electronilor ar putea fi realizată și folosind cavități nanofotonice conduse de lumină cu frecvență optică. Utilizarea luminii optice ajută la reducerea dispozitivului, deoarece lungimea de undă a radiației este mult mai mică decât cea a microundelor.

Nu este necesar metal

Hommelhoff subliniază un alt beneficiu important al acestei abordări: „Când conduceți aceste frecvențe cu lumină laser, nu aveți nevoie de structuri metalice”. El adaugă: „Este suficient dacă utilizați doar sticlă obișnuită... și puteți genera același mod pe care îl puteți genera cu cavitățile de microunde și câmpurile de microunde”.

Deoarece cavitatea este un izolator, concentrații mari de sarcină nu apar în puncte de pe suprafață. Ca urmare, singura limită a gradientului de accelerație este câmpul de defalcare electrică al materialului.

În principiu, acest lucru permite integrarea nanofotonică a unui accelerator de particule, producând mănunchiuri de electroni într-o linie de lumină minusculă, focalizată cu precizie. Cu toate acestea, există provocări practice. Electronii din fiecare grup se resping reciproc, iar menținerea unui grup împreună necesită focalizarea de către forțe externe. Mai mult, comprimarea unui ciorchine într-o direcție face ca acesta să se răspândească în alte direcții.

Problema de repulsie

În lucrările anterioare, cercetătorii inclusiv Hommelhoff și Olav Solgaard de la Universitatea Stanford din California au demonstrat că această problemă de repulsie ar putea fi atenuată folosind focalizarea în fază alternativă. În această tehnică, electronii sunt limitați alternativ într-o direcție și apoi în cealaltă, producând o distribuție de câmp oscilant.

Acum, noi lucrări asupra acestor acceleratoare au fost realizate de două grupuri independente de cercetare. Unul a fost condus de Hommelhoff la Universitatea Friedrich-Alexander. Celălalt grup a fost o colaborare între oamenii de știință de la Stanford conduși de Solgaard și cercetătorii de la TU Darmstadt din Germania, conduși de Uwe Niedermeyer. Ambele echipe au creat acceleratoare laser dielectrice nanofotonice care au crescut energia ciorchinilor de electroni fără ca ciorchinii să se rupă. Echipa lui Solgaard și Niedermeyer a fabricat două acceleratoare – unul proiectat la Stanford și unul la TU Darmstadt. Un accelerator a mărit energia electronilor de 96 keV cu 25% pe o distanță de doar 708 μm. Aceasta este de aproximativ zece ori grosimea unui păr uman.

„Cred că am pus mai multă forță asupra unui electron decât oricine altcineva”, spune Solgaard.

Dispozitivul grupului Hommelhoff a funcționat la energii mai mici, accelerând electronii de la 28.4 keV la 40.7 keV peste 500 μm. Aceasta a prezentat propriile provocări, după cum explică Hommelhoff. „Când vrei să accelerezi electroni care nu sunt relativiști – în cazul nostru, aceștia călătoresc doar cu o treime din viteza luminii – nu este atât de ușor și este mai puțin eficient să generezi modul optic care se propagă împreună cu electronii.”

Câmpuri de defalcare mai mari

Cercetătorii caută acum să obțină gradienți de câmp și mai mari prin fabricarea de dispozitive în materiale cu câmpuri de degradare mai mari decât siliciul. Ei cred că, în termen scurt, schemele lor de accelerare ar putea găsi aplicații în imagistica medicală și în căutările de materie întunecată.

Noul accelerator de particule este condus de fascicule laser curbate

Solgaard spune că „s-ar putea să fie într-o foarte mică minoritate, gândindu-se că acest lucru va juca un rol în fizica energiilor înalte”, dar că tehnologia ar trebui să fie utilizabilă în materiale precum cuarțul, al cărui câmp de degradare este de aproape 1000 de ori mai mare decât cel al unui câmp tradițional. accelerator. „Milimetrul nostru devine un metru”, spune el; „Când ajungem la un contor, ar trebui să se potrivească cu SLAC în energie... Gândiți-vă să aveți un accelerator în biroul meu care să se potrivească cu SLAC.”

„Cred că aceste [două echipe] au demonstrat un nou pas important către un accelerator real pe un cip”, spune cercetătorul accelerator. Carsten Welsch de la Universitatea din Liverpool din Marea Britanie. Cu toate acestea, el avertizează că mai sunt multe de făcut în ceea ce privește controlul fasciculului și diagnosticarea în miniatură. În ceea ce privește aplicațiile, el spune: „Le împărtășesc optimismul pentru aplicațiile medicale asemănătoare cateterului, aducând electroni acolo unde sunt necesari și, în special, pentru sursele de mini-lumină, unde personal văd cel mai mare potențial. Combinația dintre un fascicul de electroni de înaltă calitate și lumină ar putea deschide cu adevărat noi oportunități de cercetare și aplicații.”

Cu toate acestea, Welsch rămâne neconvins cu privire la aplicații precum ciocnitoarele de particule, indicând luminozitatea ridicată necesară și calitatea înaltă a fasciculului necesare în astfel de mașini. „Următorul Large Hadron Collider nu va fi un accelerator laser dielectric”, conchide el.

Hommelhoff și colegii își descriu munca în Natură. Solgaard, Niedermeyer și colegii își descriu munca arXiv.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/