Electron được tăng tốc bằng cách bắn tia laser vào hộp quang tử nano – Vật lý Thế giới

Electron được tăng tốc bằng cách bắn tia laser vào hộp quang tử nano – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: 25 tháng 2023 năm 4 38:XNUMX sáng

Máy gia tốc laser điện môi
Thiết bị nhỏ: ảnh chụp vi mạch chứa máy gia tốc laser điện môi của Đại học Friedrich-Alexander. Đồng xu một xu euro được hiển thị để so sánh. (Ảnh: FAU/Vật lý Laser, Stefanie Kraus, Julian Litzel)

Máy gia tốc hạt điều khiển bằng laser trên chip silicon đã được tạo ra bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập. Với những cải tiến hơn nữa, những máy gia tốc laser điện môi như vậy có thể được sử dụng trong y học và công nghiệp – và thậm chí có thể tìm thấy ứng dụng trong các thí nghiệm vật lý hạt năng lượng cao.

Việc tăng tốc các electron lên năng lượng cao thường được thực hiện trên khoảng cách xa tại các cơ sở lớn và đắt tiền. Ví dụ, máy gia tốc electron ở trung tâm của Laser Electron Tự do tia X châu Âu ở Đức dài 3.4 km và Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) ở California dài 3.2 km.

Kết quả là việc sử dụng máy gia tốc điện tử cho các ứng dụng thực tế trong y học và công nghiệp bị hạn chế nghiêm trọng. Kích thước và chi phí cũng là những yếu tố trong vật lý hạt dựa trên máy gia tốc, trong đó các cơ sở ngày càng lớn hơn và đắt tiền hơn khi chúng đạt tới năng lượng va chạm cao hơn.

Người lướt sóng

Trong máy gia tốc thông thường, dao động vi sóng của điện trường trong hộp kim loại làm tăng tốc các electron giống như những người lướt sóng trên sóng đang lan truyền. Độ dốc gia tốc tối đa thường là vài chục megavolt trên mét và được xác định bởi điện trường tối đa có thể tồn tại giữa các thành phần kim loại trong hộp.

“Không ai biết chính xác điều gì đang xảy ra ở bề mặt [kim loại] và đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu đang hoạt động…nhưng khi từ trường trở nên quá lớn, thứ gì đó giống như những kim tự tháp nhỏ xíu mọc lên trên bề mặt, sau đó các electron phun ra và từ trường bị phá vỡ. ," nói Peter Hommelhoff của Đại học Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg ở Đức.

Những thách thức về chi phí và công nghệ của máy gia tốc thông thường có nghĩa là các nhà nghiên cứu rất quan tâm đến việc phát triển các phương pháp tăng tốc thay thế. Trong nghiên cứu mới nhất này, điện trường dao động được tạo ra bằng cách chiếu các xung laser vào các hộp quang cực nhỏ làm từ cấu trúc nano silicon.

Hommelhoff cho biết phải mất gần ba mươi năm các nhà vật lý mới nhận ra rằng gia tốc electron cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng các hộp quang tử nano được điều khiển bởi ánh sáng tần số quang học. Sử dụng ánh sáng quang học giúp thu nhỏ kích thước thiết bị vì bước sóng của bức xạ ngắn hơn nhiều so với bước sóng của vi sóng.

Không cần kim loại

Hommelhoff chỉ ra một lợi ích quan trọng khác của phương pháp này: “Khi bạn điều khiển những tần số này bằng ánh sáng laser, bạn không cần cấu trúc kim loại”. Ông nói thêm: “Chỉ cần sử dụng kính thông thường là đủ…và bạn có thể tạo ra chế độ tương tự như chế độ mà bạn có thể tạo ra với các khoang vi sóng và trường vi sóng”.

Vì khoang là chất cách điện nên nồng độ điện tích cao không xuất hiện ở các điểm trên bề mặt. Kết quả là giới hạn duy nhất của gradient gia tốc là trường đánh thủng điện của vật liệu.

Về nguyên tắc, điều này cho phép tích hợp quang tử nano của máy gia tốc hạt, tạo ra các chùm electron trong một chùm tia cực nhỏ, tập trung chính xác. Tuy nhiên, có những thách thức thực tế. Các electron trong mỗi chùm đẩy nhau và để giữ một chùm lại với nhau cần có sự tập trung của các ngoại lực. Hơn nữa, việc nén một chùm theo một hướng khiến nó lan ra các hướng khác.

Vấn đề lực đẩy

Trong nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu bao gồm Hommelhoff và Olav Solgaard của Đại học Stanford ở California đã chứng minh rằng vấn đề lực đẩy này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng tiêu điểm pha xen kẽ. Trong kỹ thuật này, các electron lần lượt được giới hạn theo hướng này rồi đến hướng khác, tạo ra sự phân bố trường dao động.

Hiện nay, công việc mới về các máy gia tốc này đã được thực hiện bởi hai nhóm nghiên cứu độc lập. Một được dẫn dắt bởi Hommelhoff tại Đại học Friedrich-Alexander. Nhóm còn lại là sự hợp tác giữa các nhà khoa học Stanford do Solgaard đứng đầu và các nhà nghiên cứu tại TU Darmstadt ở Đức do Solgaard đứng đầu. Uwe Niedermeyer. Cả hai đội đã tạo ra các máy gia tốc laser điện môi nanophotonic giúp tăng năng lượng của các chùm electron mà các chùm electron không bị vỡ. Đội của Solgaard và Niedermeyer đã chế tạo được hai máy gia tốc – một được thiết kế ở Stanford và một ở TU Darmstadt. Một máy gia tốc đã tăng năng lượng của các electron 96 keV lên 25% trên khoảng cách chỉ 708 μm. Độ dày này gấp khoảng mười lần độ dày của một sợi tóc người.

Solgaard nói: “Tôi nghĩ rằng tôi đã tác dụng lực lên một electron nhiều hơn bất kỳ ai khác từ trước đến nay”.

Thiết bị của nhóm Hommelhoff hoạt động ở mức năng lượng thấp hơn, gia tốc các electron từ 28.4 keV lên 40.7 keV trên 500 μm. Hommelhoff giải thích rằng điều này đưa ra những thách thức riêng. “Khi bạn muốn tăng tốc các electron phi tương đối tính – trong trường hợp của chúng tôi, chúng chỉ di chuyển với tốc độ bằng một phần ba tốc độ ánh sáng – thì việc tạo ra chế độ quang học cùng truyền với các electron là không dễ dàng và kém hiệu quả hơn.”

Các trường phân tích cao hơn

Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách đạt được gradient trường cao hơn nữa bằng cách chế tạo các thiết bị bằng vật liệu có trường phân hủy cao hơn silicon. Họ tin rằng trong thời gian tới kế hoạch tăng tốc của họ có thể tìm thấy những ứng dụng trong chụp ảnh y tế và tìm kiếm vật chất tối.

Solgaard cho biết ông “có thể nằm trong một thiểu số rất nhỏ nghĩ rằng điều này sẽ đóng một vai trò trong vật lý năng lượng cao”, nhưng công nghệ này sẽ có thể sử dụng được trong các vật liệu như thạch anh, có trường phân hủy gần như gấp 1000 lần so với truyền thống. máy gia tốc. “Milimét của chúng tôi trở thành mét,” ông nói; “vào thời điểm chúng ta đạt được đồng hồ đo, chúng ta nên so sánh SLAC về năng lượng…Hãy nghĩ đến việc đặt một máy gia tốc trong văn phòng của tôi phù hợp với SLAC.”

“Tôi nghĩ [hai đội] này đã chứng minh được một bước tiến mới quan trọng hướng tới một máy gia tốc thực sự trên chip,” nhà khoa học máy gia tốc cho biết Carsten Welsch của Đại học Liverpool ở Anh. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng vẫn còn nhiều việc phải làm về mặt kiểm soát chùm tia và chẩn đoán thu nhỏ. Về mặt ứng dụng, ông nói: “Tôi chia sẻ sự lạc quan của họ đối với các ứng dụng y tế giống như ống thông, đưa điện tử đến nơi cần thiết và đặc biệt là đối với các nguồn sáng mini mà cá nhân tôi thấy có tiềm năng lớn nhất. Sự kết hợp giữa chùm tia điện tử chất lượng cao và ánh sáng thực sự có thể mở ra những cơ hội và ứng dụng nghiên cứu hoàn toàn mới.”

Tuy nhiên, Welsch vẫn không bị thuyết phục về các ứng dụng như máy va chạm hạt, chỉ ra rằng cần có độ sáng cao và chất lượng chùm tia cao cần thiết trong những máy như vậy. “Máy Va chạm Hadron Lớn tiếp theo sẽ không phải là máy gia tốc laser điện môi,” ông kết luận.

Hommelhoff và các đồng nghiệp mô tả công việc của họ trong Thiên nhiên. Solgaard, Niedermeyer và các đồng nghiệp mô tả công việc của họ về arXiv.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý