Фізики розігнали електрони на чіпі

Американські фізики створили прискорювач елементарних частинок, який вмістився на кремнієвому чіпі розміром кілька десятків мікрон. Пристрій, заснований на технології лазерного діелектричного прискорення, в перспективі може стати основою для компактних і потужних прискорювачів, які знайдуть застосування в медицині, матеріалознавстві, біотехнології та багатьох інших областях. Результати дослідження опубліковані в журналі.

У «звичайних» прискорювачах, таких як Великий адронний коллайдер, елементарні частинки розганяють за допомогою електричного поля. Але для того, щоб отримати частинки високих енергій, прискорювачі повинні бути дуже довгими, оскільки градієнт більше декількох десятків мегаелектронвольт на метр забезпечити не вдається - в камері виникне пробій. Можна обійти цю проблему, якщо побудувати кільцевий прискорювач, але тоді будуть потрібні потужні магніти, щоб «повертати» частинки. Крім того, значна частина «закачаної» в частинки енергії при цьому буде висвічуватися за рахунок синхротронного випромінювання. Щоб мінімізувати втрати, і кільцеві прискорювачі доводиться будувати величезних розмірів.

Щоб обійти цю проблему, фізики розробляють нові методи прискорення частинок. До них належать, зокрема, діелектричне лазерне прискорення і лазерно-плазмове прискорення, а також прискорення на базі терагерцевих імпульсів. Для плазмових методів прискорення не існує обмеження на величину прискорюючих полів, і темп прискорення для них може досягати 100 гігаелектронвольт на метр, однак цей спосіб не позбавлений недоліків, один з найважливіших - складність створення стабільного і ефективного лазерно-плазмового прискорення на дистанції, що перевищує кілька міліметрів.

Група під керівництвом Олени Вучкович (Jelena Vu^ kovi^) з прискорювальної лабораторії Стенфордського університету вирішили використовувати діелектричне лазерне прискорення. У цьому випадку частинки прискорюються за рахунок електричного поля, яке виникає над спеціальною прозорою борознячою структурою, підсвіченою знизу поляризованим лазерним променем.

Вучкович і його колеги змогли зібрати інтегрований прискорювач на кремнієвому чіпі, де електрони розганялися за рахунок підсвічування інфрачервоним лазером, для якого кремній прозорий. Прискорювач на чіпі зміг додати електронам лише 0,915 кілоелектронвольта енергії, але на дистанції лише в 30 мікронів. У перерахунку на метр це дає градієнт в 30,5 мегаелектронвольт на метр. У перспективі вчені розраховують «упакувати» тисячу таких прискорювачів в один пристрій розміром в кілька сантиметрів і отримати на виході пучок частинок з енергією 1 мегаелектронвольт.

Автори дослідження вже зараз починають думати про можливі застосування майбутнього прискорювача, зокрема, про застосування його для радіотерапії раку.

Раніше фізики розігнали частинки за допомогою терагерцевого випромінювання, поставили рекорд для лазерно-плазмового прискорення.