通过将激光发射到纳米光子腔中来加速电子 – 物理世界

硅芯片上的激光驱动粒子加速器由两个独立的研究小组创建。 经过进一步改进，这种介电激光加速器可以用于医学和工业，甚至可以在高能粒子物理实验中找到应用。

将电子加速到高能量通常是在大型且昂贵的设施中长距离完成的。 例如，德国欧洲 X 射线自由电子激光器核心的电子加速器长 3.4 公里，加利福尼亚州斯坦福线性加速器 (SLAC) 长 3.2 公里。

因此，电子加速器在医学和工业中的实际应用受到严格限制。 尺寸和成本也是基于加速器的粒子物理学的因素，随着碰撞能量的提高，设施变得越来越大、越来越昂贵。

冲浪者在海浪中

在传统的加速器中，金属腔体中电场的微波振荡会加速电子，就像行波上的冲浪者一样。 最大加速度梯度通常为每米几十兆伏，由空腔中金属部件之间存在的最大电场定义。

“没有人确切知道[金属]表面发生了什么，这仍然是一个活跃的研究领域……但是当场变得太大时，表面上会生长出一些像微小金字塔一样的东西，然后电子喷出，场就会崩溃，”说 彼得·霍梅尔霍夫 德国埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学。

传统加速器的成本和技术挑战意味着研究人员热衷于开发替代加速方法。 在这项最新研究中，通过将激光脉冲发射到由硅纳米结构制成的微小光学腔中来产生振荡电场。

霍梅尔霍夫说，物理学家花了近三十年的时间才意识到电子加速也可以使用光频光驱动的纳米光子腔来实现。 使用光学有助于缩小设备尺寸，因为辐射的波长比微波短得多。

无需金属

Hommelhoff 指出了这种方法的另一个重要好处：“当你用激光驱动这些频率时，你不需要金属结构”。 他补充道，“如果你只使用普通玻璃就足够了……并且你可以产生与微波腔和微波场产生的模式相同的模式”。

由于空腔是绝缘体，因此表面上的点不会出现高浓度的电荷。 因此，加速梯度的唯一限制是材料的电击穿场。

原则上，这允许粒子加速器的纳米光子集成，在微小、精确聚焦的光束线中产生电子束。 然而，也存在实际挑战。 每个束中的电子相互排斥，将电子束保持在一起需要通过外力聚焦。 此外，一束在一个方向上的压缩会导致它向其他方向扩散。

斥力问题

在之前的工作中，包括 Hommelhoff 和 奥拉夫·索尔加德 加利福尼亚州斯坦福大学的研究人员证明，可以使用交替相位聚焦来缓解这种排斥问题。 在这项技术中，电子交替地被限制在一个方向上，然后被限制在另一个方向上，从而产生振荡场分布。

现在，两个独立的研究小组已经完成了这些加速器的新工作。 其中一项由弗里德里希-亚历山大大学的霍梅尔霍夫领导。 另一个小组是索尔加德领导的斯坦福大学科学家与德国达姆施塔特工业大学研究人员合作的结果 乌韦·尼德迈尔。 两个团队都创造了纳米光子介电激光加速器，可以增强电子束的能量，而不会破坏电子束。 索尔加德和尼德迈尔的团队制造了两台加速器——一台在斯坦福大学设计，另一台在达姆施塔特工业大学设计。 一台加速器可在 96 μm 的距离内将 25 keV 电子的能量提高 708%。 这大约是人类头发厚度的十倍。

“我认为我对电子施加的力比任何人都多，”索尔加德说。

Hommelhoff 小组的装置在较低能量下工作，在 28.4 μm 范围内将电子从 40.7 keV 加速到 500 keV。 正如霍梅尔霍夫所解释的，这也带来了自身的挑战。 “当你想要加速非相对论性的电子时——在我们的例子中，它们仅以光速的三分之一传播——这并不容易，而且生成与电子共同传播的光学模式的效率也较低。”

更高的击穿场

研究人员现在正在寻求通过使用击穿场比硅更高的材料制造器件来实现更高的场梯度。 他们相信，在短期内，他们的加速方案可以在医学成像和暗物质搜索中找到应用。

新型粒子加速器由弯曲激光束驱动

索尔加德表示，他“可能属于极少数认为这将在高能物理学中发挥作用的人”，但这项技术应该可用于石英等材料，石英的击穿场几乎是传统材料的 1000 倍。加速器。 “我们的毫米变成了米，”他说； “当我们达到一米时，我们应该在能源方面与 SLAC 相匹配……考虑一下在我的办公室里放置一个与 SLAC 相匹配的加速器。”

“我认为这[两个团队]已经向真正的芯片加速器迈出了重要的新一步，”加速器科学家说 卡斯滕·韦尔施 英国利物浦大学的教授。 然而，他警告说，在光束控制和微型诊断方面还有很多工作要做。 在应用方面，他说：“我和他们一样对类似导管的医疗应用持乐观态度，将电子带到需要的地方，特别是对于微型光源，我个人认为其中潜力最大。 高质量电子束和光的结合确实可以开辟全新的研究机会和应用。”

然而，韦尔奇对粒子对撞机等应用仍然不相信，他指出此类机器需要高亮度和高光束质量。 “下一个大型强子对撞机将不会是介电激光加速器，”他总结道。

Hommelhoff 和同事描述了他们的工作 自然。 索尔加德、尼德迈尔和同事描述了他们的工作 arXiv.

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