粒子加速器的大小不一，有的可以裝在實驗室里，有的則需要占據(jù)幾公里甚至幾十公里的空間。然而，一項新的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學家們正在更仔細地研究芯片大小的電子加速器。該技術的近期潛在應用包括用于精準治療，替代那些更有破壞性的放療，這種放療可以殺死癌細胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推動金屬管或金屬環(huán)內的粒子。它們加速粒子的速率受到金屬表面所能承受的峰值場的限制。傳統(tǒng)加速器的尺寸從醫(yī)學應用的幾米到基礎研究的幾公里不等。他們使用的電場通常在每米數(shù)百萬伏的規(guī)模上。

相比之下，電絕緣介電材料（導電性不好但能很好地支持靜電場的材料）可以承受數(shù)千倍強的光場。這使得科學家們開始研究制造依賴激光投擲粒子的介電加速器。這種設備可能會導致“芯片上的加速器”比傳統(tǒng)機器小很多倍，也便宜很多倍。

該研究的資深作者、德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的物理學家Peter Hommelhoff說：“這種想法幾乎和激光一樣古老。有時候，研究需要時間，我們發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)某些東西比拋出想法要求更高?！?/p>

在這項新的研究中，物理學家制造了一個225納米寬、0.5毫米長的微小通道。電子束進入通道的一端并從另一端射出。

研究人員在通道頂部照射250飛秒長的紅外激光脈沖，以幫助加速電子向下移動。在通道內部，兩排高達733根的硅柱，每根2微米高，與這些激光脈沖相互作用，產生加速力。

電子以28400電子伏特的能量進入加速器，以大約三分之一的光速行進。他們以40700電子伏特的能量離開它，能量增加了43%。

這種新型粒子加速器可以使用標準的潔凈室技術制造，如電子束光刻。Hommelhoff說：“這就是為什么我們認為我們的結果代表著向前邁出了一大步。每個人都可以從中著手設計有用的機器?！?/p>

粒子加速器不僅推動粒子，而且限制粒子，最大限度地減少粒子損失。先前的研究發(fā)現(xiàn)，帶電粒子束不可能同時聚焦在所有三維空間。因此，科學家們設計了他們的加速器結構，以改變他們聚焦電子束的方向，從而在所有三個維度上產生約束的凈結果。

盡管如此，研究人員預計這種限制策略在相對較長的距離內不會奏效。

Hommelhoff說：“我們曾希望0.1和0.2毫米長的加速器結構能起作用，在我們看到它們起作用后，我們就繼續(xù)嘗試我們制造的更長的加速器結構?？吹?.3、0.4甚至0.5毫米長的結構也能工作，真是太棒了?！?/p>

Hommelhoff將他們的成功歸功于制造質量，幾乎去除了每一塊灰塵或任何其他可能殺死電子束的障礙。

Hommelhoff說：“我們的幾位同事曾告訴我們，這永遠不會奏效，因為所需的制造精度水平可能太高，但幸運的是，事實并非如此。其他人說這永遠不會奏效或有意義 —— 我們將其視為一種動力?！?/p>

這些納米光子電子加速器的應用取決于它們所能達到的能量。Hommelhoff說，高達300000電子伏特的電子是電子顯微鏡的典型代表。為了治療皮膚癌癥，需要1000萬個電子伏特電子。盡管目前此類醫(yī)療應用需要一個1米寬的加速器，以及額外的大型、重型和昂貴的部件來幫助驅動加速器，但該研究的主要作者、德國紐倫堡埃爾蘭根大學的物理學家Tomá? Chlouba補充道：“原則上，我們可以同時去掉這兩個部件，只需要一個大約1厘米的芯片，再加上幾厘米的電子源?！?/p>

同步加速器光源、自由電子激光器和尋找輕質暗物質等應用都伴隨著數(shù)十億電子伏特的電子。Hommelhoff說，有了萬億電子伏特的電子，高能對撞機就成為可能。

Hommelhoff指出，他們的結構相對難以加速相對較慢的電子，比如他們實驗的大約30000電子伏特的電子。他說：“當電子接近光速時，這些結構會變得更有效率，這意味著是當它們的能量接近100萬電子伏特時?！?/p>

科學家們指出，在最初的概念驗證結構之外，還有很多方法可以改進他們的設備。他們現(xiàn)在的目標是用更大的加速度和更高的電子電流進行實驗，以幫助實現(xiàn)應用，并通過制造許多相鄰的加速器通道來提高輸出，這些通道都可以由相同的激光脈沖驅動。

此外，盡管這項新研究實驗了由硅制成的結構，因為使用硅相對容易，但“硅并不是一種真正的高損傷閾值材料，” Hommelhoff如此表示。他說，由玻璃或其他材料制成的結構可能會產生更強的激光脈沖，從而產生更強大的加速度。

Hommelhoff說，研究人員有興趣建造一個小型加速器，“也許首先考慮到皮膚癌癥治療應用。這當然也是我們應該很快會和一家初創(chuàng)公司共同做的事情?！?/p>

審核編輯：彭菁