De Large Hadron Collider bij CERN in Zwitserland, de grootste versneller ter wereld, heeft een omtrek van ongeveer 26 kilometer. Onderzoekers van de Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Duitsland, proberen naar het andere uiterste te gaan door 's werelds kleinste versneller te bouwen - een die op een microchip past. Het onderzoeksteam heeft nu weer een stap gezet om deze ambitie te realiseren.

Het fundamentele idee is om wetenschappers in staat te stellen laserstralen te gebruiken om elektronen te versnellen. Wat in theorie bedrieglijk eenvoudig klinkt, roept in de praktijk een hele reeks uitdagingen op, strekt zich uit over verschillende gebieden van de natuurkunde. Bijvoorbeeld, de wetenschappers moeten de oscillatie van licht en de beweging van elektronen met grote precisie kunnen controleren om ervoor te zorgen dat ze elkaar op het juiste moment ontmoeten.

Een manier om dit voor te stellen is om je een schip voor te stellen op een stormachtige zee; veilig een golf opstijgen en aan de andere kant naar beneden komen, de roerganger moet de naderende golf in de gaten houden en beoordelen wanneer deze het schip zal ontmoeten. Het is net zo cruciaal voor het team van wetenschappers van de FAU om vast te stellen wanneer en waar de maximale top van een lichtgolf een pakket elektronen zal raken, zodat ze de uitkomst in een zeer specifieke mate kunnen beïnvloeden. Dit betekent dat ze licht en elektronen moeten laten samenvallen binnen 'attoseconden' - dat wil zeggen, een miljardste van een miljardste van een seconde.

In een spannende eerste dat is precies wat de onderzoeksgroep onder leiding van dr. Peter Hommelhoff heeft bereikt. Het team heeft een nieuwe techniek ontwikkeld waarbij twee laserstralen die op verschillende frequenties oscilleren elkaar kruisen om een ​​optisch veld te genereren waarvan de onderzoekers de eigenschappen uiterst nauwkeurig kunnen beïnvloeden. De belangrijkste eigenschap van dit optische veld is dat het contact met de elektronen behoudt, effectief met hen meebewegen - een lopende golf - zodat de elektronen continu kunnen voelen, of 'surfen, ' het optische veld. Op deze manier, het optische veld geeft zijn eigenschappen precies door aan de deeltjes.

Dit proces zorgt er niet alleen voor dat de deeltjes de veldstructuur precies weerspiegelen, het versnelt ze ook in een opvallend hoge mate. Dit effect is cruciaal voor de miniatuur deeltjesversneller, omdat het betrekking heeft op hoeveel energie kan worden overgedragen aan de elektronen en over welke afstand. De versnellingsgradiënt, die de maximale gemeten elektronenenergiewinst versus afgelegde afstand aangeeft, bereikt de extreem hoge waarde van 2,2 giga-elektronenvolt per meter, veel hoger dan die van conventionele versnellers. Echter, de versnellingsafstand van slechts 0,01 millimeter die het onderzoeksteam in Erlangen momenteel ter beschikking heeft, is voor hen niet voldoende om de energie op te wekken die nodig is voor praktische toepassingen. "Ondanks dit, voor deeltjesversnellers in de geneeskunde, we zouden maar een kleine versnellingslengte van minder dan een millimeter nodig hebben, " legt dr. Martin Kozák uit, die het laboratoriumexperiment heeft uitgevoerd.

Projectleider Prof. Dr. Peter Hommelhoff van de FAU beschouwt versnellerminiaturisatie als een technische revolutie analoog aan de miniaturisatie van computers. "Deze aanpak zal ons hopelijk in staat stellen om deze innovatieve deeltjesversnellingstechniek bruikbaar te maken in een reeks onderzoeksgebieden en toepassingsgebieden zoals materiaalkunde, biologie en geneeskunde - een voorbeeld zou kunnen zijn deeltjestherapieën voor kankerpatiënten."