新型粒子加速器可安装在硅芯片上

在全尺寸粒子加速器中，电子沿着几公里长的路径飞行，微波轰击它们，将粒子加速到接近光速。这种高能电子束，在加利福尼亚州SLAC国家加速器实验室等设施中产生，可以进行各种实验，包括捕获极其详细的图像和探测分子结构。但是，粒子加速器价格昂贵，需要科学家从世界各地前来，并且无法满足所有提交时间预订请求的研究人员的需求。为了使这些装置更易于使用，斯坦福大学的一个团队开发了一种激光驱动的粒子加速器，它可以安装在微小的硅芯片上，并且最终可以扩大规模，产生与SLAC一样能量的束流。

斯坦福大学研究员罗伯特·拜尔说：“在加速器中使用激光的想法可以追溯到激光发明的1960年。”他自1974年以来一直致力于这个概念。激光产生电磁波，其波长比全尺寸加速器中使用的微波短得多，这意味着它们可以加速在小得多的空间中移动的电子。拜尔说：“这些设备的大小小的令人难以置信。” 例如，新型加速器中的电子沿通道传播，该通道的宽度约为千分之三毫米，大约是人类红细胞宽度的一半。

尽管激光驱动的设备可以在比全尺寸加速器小得多的空间中加速电子，但它们也需要更高的精度来以正确的方式对准激光和电子，因此光波可以尽可能多地以正确的方向推动粒子。“你不仅必须证明将激光耦合到这些非常小的结构中的电子的能力，而且还必须产生电子并让它们也通过通道传输，”拜尔解释说。2013年，两个研究小组，一个在斯坦福大学和其他美国机构，以及另一个在德国，独立地用激光成功地加速了电子。但是，这些概念验证原型需要单独的设备来产生电子，并且使用现有技术很难批量生产。

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然而，在硅中蚀刻的激光驱动加速器将更容易扩大规模，并且多个组件可能会安装在同一芯片上。拜尔与包括斯坦福大学电气工程师耶莱娜·武科维奇在内的其他几位研究人员合作，生产了这样一个工具。武科维奇说：“您必须设计的是以正确的方式引导光线的结构，因此光线始终会在正确的方向上提供推动力，从而使粒子始终被加速。” 为了确定该结构，她的学生尼尔·萨普拉使用计算机模拟了不同的模式将如何与入射的电磁波相互作用。一旦他们获得了一个尽可能多地加速电子的设计，并且始终以正确的方向进行加速，研究人员就将该加速器蚀刻到硅晶圆中。

当晶圆从上方被激光脉冲轰击时，激光会击中一个称为“输入耦合器”的光栅，该光栅会使其沿芯片的长度移动。接下来，光波会进入横穿芯片宽度的计算机设计的路径。当光线通过时，该模式会聚焦波，因此它们将能量传递给沿该路径发射的电子束。这种能量使粒子更快地向前推进。该芯片的描述于周四发表在《科学》杂志上。

“这是一篇很有前途的论文，”布鲁克海文国家实验室加速器测试设施主任马克·帕尔默说，他没有参与这项新研究。“我认为他们在展示我们如何开始着手设计这些结构，并有望在不久的将来实际拿出可用的设备方面做得非常好，”他补充说。

斯坦福大学的研究人员发现，他们的原型可以成功地将电子的能量提高 915 电子伏特。尽管按日常标准衡量，这种能量很小，但当电子行进仅千分之三毫米时，这种增加就发生了，相当于它们在一米的距离上获得了约 3000 万电子伏特。这种变化与像 SLAC 这样的加速器所能产生的效果不在同一数量级，SLAC 有许多米的空间来将电子的能量提高数百亿电子伏特。然而，微型加速器比其较大的对应物更容易扩大规模：因为它蚀刻在小型硅晶圆中，研究人员可以在未来的设计中安装多个加速路径，而无需增加体积。

武科维奇说：“我们展示了加速器的单级。” “从单级到单个硅晶圆上的1,000级，扩展非常简单。” 她估计，1,000 级可以安装在几厘米长的芯片上，并使电子获得一百万电子伏特的能量，从而使它们以约 94% 的光速传播。对于研究人员来说，这项成就足以进行一些目前需要访问像 SLAC 这样的加速器的实验。具有这种能量的电子也可能实现医疗应用，例如为癌症患者提供有针对性的放射治疗，而不会损害健康组织。武科维奇说：“我们基本上可以制造出可以产生非常聚焦的电子束的仪器，并可以用它来选择性地靶向肿瘤。” 她预计她的团队可能会在一年内开发出这种扩展芯片，但该设备可能需要大约五年才能在实际应用中使用，甚至更长的时间才能用于医疗治疗。

帕尔默对他的估计持更为保守的态度，他猜测应用可能需要 10 年才能实现。 然而，他对芯片上的加速器届时将产生的影响持乐观态度。“最终，通过在这些小型结构中[加速粒子]，您拥有可以轻松适应您需要在其中操作它们的任何环境的设备，”他说，“而不是拥有一个必须进入非常固定空间的更大的粒子加速器。”