อิเล็กตรอนเร่งด้วยการยิงเลเซอร์เข้าไปในโพรงนาโนโฟโตนิก - โลกฟิสิกส์

อิเล็กตรอนเร่งด้วยการยิงเลเซอร์เข้าไปในโพรงนาโนโฟโตนิก - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 25 ตุลาคม 2023 4:38 น.

เครื่องเร่งเลเซอร์อิเล็กทริก
อุปกรณ์ขนาดเล็ก: รูปถ่ายของไมโครชิปที่บรรจุเครื่องเร่งเลเซอร์อิเล็กทริกของมหาวิทยาลัยฟรีดริช-อเล็กซานเดอร์ มีการแสดงเหรียญยูโรหนึ่งเซ็นต์เพื่อการเปรียบเทียบ (ภาพ: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel)

เครื่องเร่งอนุภาคที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์บนชิปซิลิคอนถูกสร้างขึ้นโดยกลุ่มวิจัยอิสระสองกลุ่ม ด้วยการปรับปรุงเพิ่มเติม เครื่องเร่งปฏิกิริยาเลเซอร์อิเล็กทริกดังกล่าวสามารถนำไปใช้ในการแพทย์และอุตสาหกรรมได้ และยังสามารถนำไปใช้ในการทดลองฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงได้อีกด้วย

โดยปกติแล้วการเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงจะทำในระยะทางไกลในโรงงานขนาดใหญ่และมีราคาแพง เครื่องเร่งอิเล็กตรอนที่เป็นหัวใจของ European X-ray Free Electron Laser ในเยอรมนี มีความยาว 3.4 กม. และ Stanford Linear Accelerator (SLAC) ในแคลิฟอร์เนียมีความยาว 3.2 กม.

เป็นผลให้การใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนสำหรับการใช้งานจริงในทางการแพทย์และอุตสาหกรรมถูกจำกัดอย่างรุนแรง ขนาดและราคายังเป็นปัจจัยในฟิสิกส์ของอนุภาคที่มีตัวเร่ง ซึ่งสิ่งอำนวยความสะดวกต่างๆ มีขนาดใหญ่ขึ้นและมีราคาแพงมากขึ้นเมื่อเข้าถึงพลังงานการชนกันที่สูงขึ้น

นักเล่นเซิร์ฟบนคลื่น

ในเครื่องเร่งความเร็วทั่วไป การสั่นของคลื่นไมโครเวฟของสนามไฟฟ้าในโพรงโลหะจะเร่งอิเล็กตรอนเหมือนกับนักเล่นเซิร์ฟบนคลื่นเคลื่อนที่ โดยทั่วไปความลาดชันของความเร่งสูงสุดจะอยู่ที่ไม่กี่สิบเมกะโวลต์ต่อเมตร และถูกกำหนดโดยสนามไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถมีอยู่ระหว่างส่วนประกอบที่เป็นโลหะในโพรง

“ไม่มีใครรู้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นที่พื้นผิว [โลหะ] และนี่ยังคงเป็นสาขาการวิจัยที่กระตือรือร้น… แต่เมื่อสนามมีขนาดใหญ่เกินไป บางอย่างเช่นปิรามิดเล็กๆ เติบโตบนพื้นผิว จากนั้นอิเล็กตรอนก็พ่นออกมา และสนามก็พังทลายลง ” กล่าว ปีเตอร์ ฮอมเมลฮอฟ ของมหาวิทยาลัยฟรีดริช-อเล็กซานเดอร์ แอร์ลังเงิน-เนิร์นแบร์ก ประเทศเยอรมนี

ความท้าทายด้านต้นทุนและเทคโนโลยีของเครื่องเร่งความเร็วแบบเดิมหมายความว่านักวิจัยมีความกระตือรือร้นที่จะพัฒนาวิธีการเร่งความเร็วแบบอื่น ในงานวิจัยล่าสุดนี้ สนามไฟฟ้าที่สั่นถูกสร้างขึ้นโดยการยิงพัลส์เลเซอร์เข้าไปในช่องแสงเล็กๆ ที่ทำจากโครงสร้างนาโนของซิลิคอน

Hommelhoff กล่าวว่าต้องใช้เวลาเกือบสามสิบปีก่อนที่นักฟิสิกส์จะตระหนักว่าการเร่งอิเล็กตรอนสามารถทำได้โดยใช้โพรงนาโนโฟโตนิกที่ขับเคลื่อนด้วยแสงความถี่แสง การใช้แสงช่วยลดขนาดอุปกรณ์เนื่องจากความยาวคลื่นของการแผ่รังสีสั้นกว่าคลื่นไมโครเวฟมาก

ไม่จำเป็นต้องใช้โลหะ

Hommelhoff ชี้ให้เห็นประโยชน์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งของแนวทางนี้: “เมื่อคุณขับเคลื่อนความถี่เหล่านี้ด้วยแสงเลเซอร์ คุณไม่จำเป็นต้องมีโครงสร้างโลหะ” เขากล่าวเสริมว่า “ก็เพียงพอแล้วหากคุณใช้กระจกธรรมดา…และคุณสามารถสร้างโหมดเดียวกับที่คุณสามารถสร้างด้วยช่องไมโครเวฟและสนามไมโครเวฟได้”

เนื่องจากโพรงเป็นฉนวน ประจุที่มีความเข้มข้นสูงจึงไม่ปรากฏที่จุดบนพื้นผิว เป็นผลให้ข้อจำกัดเพียงอย่างเดียวของการไล่ระดับความเร่งคือสนามสลายทางไฟฟ้าของวัสดุ

โดยหลักการแล้ว สิ่งนี้จะช่วยให้สามารถรวมตัวเร่งอนุภาคระดับนาโนโฟโตนิก ทำให้เกิดกลุ่มอิเล็กตรอนในลำแสงขนาดเล็กที่โฟกัสได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายในทางปฏิบัติอยู่ อิเล็กตรอนในแต่ละพวงจะผลักกัน และการจับมัดไว้ด้วยกันจะต้องอาศัยการเพ่งความสนใจจากแรงภายนอก นอกจากนี้การอัดพวงไปในทิศทางเดียวทำให้กระจายไปในทิศทางอื่น

ปัญหาการขับไล่

ในงานก่อนหน้านี้ นักวิจัย ได้แก่ Hommelhoff และ โอลาฟ โซลการ์ด ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในแคลิฟอร์เนียได้แสดงให้เห็นว่าปัญหาแรงผลักนี้สามารถบรรเทาลงได้โดยใช้การโฟกัสแบบสลับเฟส ในเทคนิคนี้ อิเล็กตรอนจะถูกจำกัดสลับกันในทิศทางเดียวและอีกทิศทางหนึ่ง ทำให้เกิดการกระจายตัวของสนามสั่น

ขณะนี้งานใหม่เกี่ยวกับเครื่องเร่งความเร็วเหล่านี้ได้ดำเนินการโดยกลุ่มวิจัยอิสระสองกลุ่ม คนหนึ่งนำโดย Hommelhoff จากมหาวิทยาลัยฟรีดริช-อเล็กซานเดอร์ อีกกลุ่มหนึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างนักวิทยาศาสตร์ของ Stanford ที่นำโดย Solgaard และนักวิจัยจาก TU Darmstadt ในประเทศเยอรมนีที่นำโดย อูเว่ นีเดอร์เมเยอร์. ทั้งสองทีมสร้างเครื่องเร่งเลเซอร์ไดอิเล็กตริกนาโนโฟโตนิกที่เพิ่มพลังงานของมัดอิเล็กตรอนโดยไม่ทำให้มัดพังทลาย ทีมงานของ Solgaard และ Niedermeyer ประดิษฐ์เครื่องเร่งความเร็วสองตัว ตัวแรกออกแบบที่ Stanford และอีกตัวหนึ่งที่ TU Darmstadt เครื่องเร่งความเร็วหนึ่งตัวเพิ่มพลังงานของอิเล็กตรอน 96 keV ขึ้น 25% ในระยะห่างเพียง 708 μm ซึ่งมีความหนาประมาณสิบเท่าของเส้นผมมนุษย์

“ผมคิดว่าผมได้ออกแรงใส่อิเล็กตรอนมากกว่าใครๆ ที่เคยทำมา” โซลการ์ดกล่าว

อุปกรณ์ของกลุ่ม Hommelhoff ทำงานโดยใช้พลังงานต่ำ โดยเร่งอิเล็กตรอนจาก 28.4 keV เป็น 40.7 keV มากกว่า 500 μm สิ่งนี้นำเสนอความท้าทายของตัวเอง ดังที่ Hommelhoff อธิบาย “เมื่อคุณต้องการเร่งอิเล็กตรอนที่ไม่สัมพันธ์กัน ในกรณีของเรา พวกมันเดินทางด้วยความเร็วเพียงหนึ่งในสามของความเร็วแสง มันไม่ง่ายเลยและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการสร้างโหมดแสงที่แพร่กระจายร่วมกับอิเล็กตรอน”

ฟิลด์รายละเอียดที่สูงขึ้น

ขณะนี้นักวิจัยกำลังมองหาเพื่อให้ได้การไล่ระดับสนามที่สูงขึ้นด้วยการสร้างอุปกรณ์ในวัสดุที่มีสนามสลายสูงกว่าซิลิคอน พวกเขาเชื่อว่าในระยะเวลาอันใกล้แผนการเร่งความเร็วของพวกเขาสามารถนำไปใช้ในการถ่ายภาพทางการแพทย์และการค้นหาสสารมืดได้

Solgaard กล่าวว่าเขา "อาจเป็นชนกลุ่มน้อยที่คิดว่าสิ่งนี้จะมีบทบาทในฟิสิกส์พลังงานสูง" แต่เทคโนโลยีนี้ควรจะใช้ได้กับวัสดุ เช่น ควอตซ์ ซึ่งมีสนามสลายเกือบ 1000 เท่าของสนามแม่เหล็กแบบดั้งเดิม คันเร่ง “มิลลิเมตรของเรากลายเป็นหนึ่งเมตร” เขากล่าว “เมื่อถึงหนึ่งเมตร เราควรเทียบพลังงานกับ SLAC...ลองนึกถึงการมีเครื่องเร่งความเร็วนั่งอยู่ในออฟฟิศของผมที่ตรงกับ SLAC”

“ผมคิดว่า [ทั้งสองทีม] ได้แสดงให้เห็นถึงก้าวใหม่ที่สำคัญสู่ตัวเร่งความเร็วที่แท้จริงบนชิป” นักวิทยาศาสตร์ด้านคันเร่งกล่าว คาร์สเทน เวลช์ ของมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูลในสหราชอาณาจักร อย่างไรก็ตาม เขาเตือนว่ายังมีอีกมากที่ต้องทำในแง่ของการควบคุมลำแสงและการวินิจฉัยขนาดเล็ก ในแง่ของการใช้งาน เขากล่าวว่า "ผมมีทัศนคติเชิงบวกต่อการใช้งานทางการแพทย์ที่มีลักษณะคล้ายสายสวน โดยการนำอิเล็กตรอนไปยังจุดที่ต้องการ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็กที่ผมมองเห็นศักยภาพสูงสุดเป็นการส่วนตัว การผสมผสานระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนและแสงคุณภาพสูงสามารถเปิดโอกาสและการประยุกต์ใช้งานวิจัยใหม่ๆ ได้อย่างสมบูรณ์”

อย่างไรก็ตาม Welsch ยังคงไม่มั่นใจเกี่ยวกับการใช้งานต่างๆ เช่น เครื่องชนอนุภาค โดยชี้ไปที่ความส่องสว่างสูงและคุณภาพลำแสงสูงที่ต้องการในเครื่องจักรดังกล่าว “เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ครั้งต่อไปจะไม่ใช่เครื่องเร่งเลเซอร์อิเล็กทริก” เขากล่าวสรุป

Hommelhoff และเพื่อนร่วมงานบรรยายถึงงานของพวกเขา ธรรมชาติ. Solgaard, Niedermeyer และเพื่อนร่วมงานบรรยายถึงงานของพวกเขา arXiv.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์