Op een heuvel boven Stanford University, het SLAC National Accelerator Laboratory heeft een wetenschappelijk instrument van bijna 2 mijl lang. In deze gigantische versneller, een stroom elektronen stroomt door een vacuümleiding, als uitbarstingen van microgolfstraling de deeltjes steeds sneller naar voren duwen totdat hun snelheid de snelheid van het licht nadert, het creëren van een krachtige straal die wetenschappers van over de hele wereld gebruiken om de atomaire en moleculaire structuren van anorganische en biologische materialen te onderzoeken.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, wetenschappers van Stanford en SLAC hebben een siliciumchip gemaakt die elektronen kan versnellen - zij het met een fractie van de snelheid van dat enorme instrument - met behulp van een infraroodlaser om te leveren, in minder dan een haarbreedte, het soort energieboost dat microgolven vele meters kost.

Schrijven in het nummer van 3 januari van Wetenschap , een team onder leiding van elektrotechnisch ingenieur Jelena Vuckovic legde uit hoe ze een kanaal op nanoschaal uit silicium hebben gesneden, verzegelde het in een vacuüm en stuurden elektronen door deze holte, terwijl pulsen van infrarood licht - waarvoor silicium net zo transparant is als glas voor zichtbaar licht - door de kanaalwanden werden uitgezonden om de elektronen te versnellen.

De versneller-op-een-chip gedemonstreerd in Wetenschap is slechts een prototype, maar Vuckovic zei dat zijn ontwerp- en fabricagetechnieken kunnen worden opgeschaald om deeltjesbundels te leveren die voldoende worden versneld om geavanceerde experimenten in de chemie uit te voeren, materiaalwetenschap en biologische ontdekking die niet de kracht van een enorme versneller vereisen.

"De grootste versnellers zijn als krachtige telescopen. Er zijn er maar een paar in de wereld en wetenschappers moeten naar plaatsen als SLAC komen om ze te gebruiken, "Zei Vuckovic. "We willen de versnellertechnologie miniaturiseren op een manier die het een toegankelijker onderzoeksinstrument maakt."

Teamleden vergelijken hun benadering met de manier waarop computers evolueerden van het mainframe naar de kleinere maar nog steeds bruikbare pc. Accelerator-on-a-chip-technologie kan ook leiden tot nieuwe kankerbestralingstherapieën, zei natuurkundige Robert Byer, een co-auteur van de Wetenschap papier. Opnieuw, het is een kwestie van grootte. Vandaag, medische röntgenapparaten vullen een kamer en leveren een stralingsbundel die moeilijk te concentreren is op tumoren, patiënten verplichten om loden schilden te dragen om nevenschade te minimaliseren.

"In dit artikel beginnen we te laten zien hoe het mogelijk zou kunnen zijn om elektronenstraalstraling rechtstreeks aan een tumor te leveren, gezond weefsel onaangetast laten, " zei Byer, die het Accelerator on a Chip International-programma leidt, of ACHIP, een bredere inspanning waar dit huidige onderzoek deel van uitmaakt.

Omgekeerd ontwerp

In hun krant Vuckovic en afgestudeerde student Neil Sapra, de eerste auteur, uitleggen hoe het team een ​​chip bouwde die pulsen van infrarood licht door silicium stuurt om elektronen op het juiste moment te raken, en precies de juiste hoek, om ze net iets sneller vooruit te laten gaan dan voorheen.

Om dit te bereiken, ze hebben het ontwerpproces op zijn kop gezet. In een traditionele versneller, zoals die bij SLAC, ingenieurs maken over het algemeen een basisontwerp, voer vervolgens simulaties uit om de microgolfuitbarstingen fysiek te ordenen om de grootst mogelijke versnelling te leveren. Maar microgolven meten 10 cm van piek tot dal, terwijl infrarood licht een golflengte heeft van een tiende van de breedte van een mensenhaar. Dat verschil verklaart waarom infrarood licht elektronen op zulke korte afstanden kan versnellen in vergelijking met microgolven. Maar dit betekent ook dat de fysieke kenmerken van de chip 100 moeten zijn, 000 keer kleiner dan de koperstructuren in een traditionele versneller. Dit vereist een nieuwe benadering van engineering op basis van silicium-geïntegreerde fotonica en lithografie.

Het team van Vuckovic loste het probleem op met behulp van inverse ontwerpalgoritmen die haar laboratorium heeft ontwikkeld. Met deze algoritmen konden de onderzoekers achteruit werken, door aan te geven hoeveel lichtenergie ze wilden dat de chip zou leveren, en de software de opdracht geven om te suggereren hoe de juiste structuren op nanoschaal kunnen worden gebouwd die nodig zijn om de fotonen goed in contact te brengen met de stroom van elektronen.

"Soms, inverse ontwerpen kunnen oplossingen opleveren waar een menselijke ingenieur misschien niet aan had gedacht, " zei R. Joel Engeland, een SLAC-stafwetenschapper en co-auteur van de Wetenschap papier.

Het ontwerpalgoritme bedacht een chiplay-out die bijna buitenaards lijkt. Stel je eens voor op nanoschaal, gescheiden door een kanaal, uit silicium geëtst. Elektronen die door het kanaal stromen, lopen door een gantlet van siliciumdraden, op strategische locaties door de kloofwand prikken. Elke keer dat de laser pulseert - wat hij 100 doet, 000 keer per seconde - een uitbarsting van fotonen raakt een stel elektronen, hen vooruit te versnellen. Dit alles gebeurt in minder dan een haarbreedte, op het oppervlak van een vacuümverzegelde siliciumchip, gemaakt door teamleden van Stanford.

De onderzoekers willen elektronen versnellen tot 94 procent van de lichtsnelheid, of 1 miljoen elektronvolt (1 MeV), om een ​​deeltjesstroom te creëren die krachtig genoeg is voor onderzoek of medische doeleinden. Deze prototype-chip biedt slechts een enkele versnellingsfase, en de elektronenstroom zou door ongeveer 1 moeten gaan, 000 van deze fasen om 1 MeV te bereiken. Maar dat is niet zo ontmoedigend als het lijkt, zei Vuckovic, omdat dit prototype versneller-op-een-chip een volledig geïntegreerde schakeling is. Dat betekent dat alle kritieke functies die nodig zijn om versnelling te creëren, rechtstreeks in de chip zijn ingebouwd, en het vergroten van de mogelijkheden ervan moet redelijk eenvoudig zijn.

De onderzoekers zijn van plan om tegen het einde van 2020 duizend versnellingsfasen in ongeveer een centimeter chipruimte te stoppen om hun doel van 1 MeV te bereiken. Hoewel dat een belangrijke mijlpaal zou zijn, zo'n apparaat zou nog steeds verbleken in kracht naast de mogelijkheden van de SLAC-onderzoeksversneller, die energieniveaus 30 kan genereren, 000 keer groter dan 1 MeV. Maar Byer gelooft dat, net zoals transistors uiteindelijk vacuümbuizen in elektronica vervingen, op licht gebaseerde apparaten zullen op een dag de mogelijkheden van door microgolven aangedreven versnellers uitdagen.

In de tussentijd, vooruitlopend op de ontwikkeling van een 1MeV-versneller op een chip, elektrotechnisch ingenieur Olav Solgaard, een co-auteur op het papier, is al begonnen met het werk aan een mogelijke kankerbestrijdingstoepassing. Vandaag, sterk geactiveerde elektronen worden niet gebruikt voor bestralingstherapie omdat ze de huid zouden verbranden. Solgaard werkt aan een manier om hoogenergetische elektronen van een versneller ter grootte van een chip door een katheterachtige vacuümbuis te leiden die onder de huid kan worden ingebracht. naast een tumor, met behulp van de deeltjesbundel om bestralingstherapie chirurgisch toe te dienen.

"We kunnen medische voordelen halen uit de miniaturisering van versnellertechnologie naast de onderzoekstoepassingen, ' zei Solgaard.