Deeltjesversnellers zijn essentiële instrumenten in onderzoeksgebieden zoals biologie, materiaalkunde en deeltjesfysica. Onderzoekers zijn altijd op zoek naar krachtigere manieren om deeltjes te versnellen om bestaande apparatuur te verbeteren en de capaciteit voor experimenten te vergroten. Een dergelijke krachtige technologie is diëlektrische laserversnelling (DLA). Bij deze benadering deeltjes worden versneld in het optische nabije veld dat ontstaat wanneer ultrakorte laserpulsen worden gefocusseerd op een nanofotonische structuur. Met behulp van deze methode, onderzoekers van de leerstoel laserfysica aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zijn erin geslaagd elektronen door een vacuümkanaal te leiden, een essentieel onderdeel van deeltjesversnellers. Het basisontwerp van het fotonische nanostructuurkanaal is ontwikkeld door samenwerkingspartner TU Darmstadt. Ze hebben nu hun gezamenlijke bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Gefocust blijven

Omdat geladen deeltjes de neiging hebben om verder van elkaar af te bewegen als ze zich verspreiden, alle versnellertechnologieën staan ​​voor de uitdaging om de deeltjes binnen de vereiste ruimtelijke en tijdsgrenzen te houden. Als resultaat, deeltjesversnellers kunnen tot tien kilometer lang zijn, en jaren van voorbereiding en constructie vergen voordat ze klaar zijn voor gebruik, om nog maar te zwijgen van de grote investeringen die ermee gemoeid zijn. Diëlektrische laserversnelling, of DLA, maakt gebruik van ultrasnelle lasertechnologie en vooruitgang in de productie van halfgeleiders om deze versnellers potentieel te minimaliseren tot slechts enkele millimeters of centimeters.

Een veelbelovende aanpak:experimenten hebben al aangetoond dat DLA de momenteel gebruikte technologieën minstens 35 keer overtreft. Dit betekent dat de lengte van een potentiële versneller met dezelfde factor kan worden verminderd. Tot nu, echter, het was onduidelijk of deze cijfers konden worden opgeschaald naar steeds langere constructies.

Een team van natuurkundigen onder leiding van Prof. Dr. Peter Hommelhoff van de leerstoel Laserfysica aan de FAU heeft een grote stap voorwaarts gezet in de richting van de aanpassing van DLA voor gebruik in volledig functionele versnellers. Hun werk is het eerste dat een schema heeft uitgewerkt waarmee elektronenpulsen over lange afstanden kunnen worden geleid.

Technologie is de sleutel

het schema, bekend als 'alternating phase focussing' (APF) is een methode die stamt uit de begindagen van de versnellertheorie. Een fundamentele natuurkundige wet houdt in dat het focussen van geladen deeltjes in alle drie de dimensies tegelijk - breedte, hoogte en diepte - is onmogelijk. Echter, dit kan worden vermeden door de elektronen afwisselend in verschillende dimensies te focussen. Allereerst, elektronen worden gefocusseerd met behulp van een gemoduleerde laserstraal, dan 'drijven' ze door een andere korte doorgang waar geen krachten op hen inwerken, voordat ze eindelijk worden versneld, waardoor ze naar voren kunnen worden geleid.

In hun experiment hebben de wetenschappers van FAU en TU Darmstadt hebben een zuilengalerij van ovale pilaren met korte tussenruimtes op regelmatige afstanden ingebouwd, resulterend in herhalende macrocellen. Elke macrocel heeft een focusserend of defocusserend effect op de deeltjes, afhankelijk van de vertraging tussen de invallende laser, het elektron, en de opening die de drijvende sectie creëert. Deze opstelling maakt nauwkeurige regeling van de elektronenfaseruimte mogelijk op de optische of femto-seconde ultra-tijdschaal (een femto-seconde komt overeen met een miljoenste van een miljardste van een seconde). In het experiment, het schijnen van een laser op de constructie toont een toename van de bundelstroom door de constructie. Als er geen laser wordt gebruikt, de elektronen worden niet geleid en vallen geleidelijk in de wanden van het kanaal. "Het is erg spannend, " zegt FAU-natuurkundige Johannes Illmer, co-auteur van de publicatie. "Ter vergelijking, de grote Hadron-collider bij CERN gebruikt 23 van deze cellen in een 2, 450 meter lange bocht. Onze nanostructuur gebruikt vijf gelijkwerkende cellen in slechts 80 micrometer."

Wanneer kunnen we de eerste DLA-accelerator verwachten?

"De resultaten zijn buitengewoon belangrijk, maar voor ons is het eigenlijk maar een tussenstap, " legt Dr. Roy Shiloh uit, "en ons uiteindelijke doel is duidelijk:we willen een volledig functionele versneller maken - op een microchip."

Het werk op dit gebied wordt gedreven door de internationale 'accelerator on a chip' (ACHIP) samenwerking, waarvan de auteurs lid zijn. De samenwerking heeft al bewezen dat, in theorie, APF kan worden aangepast om versnelling van elektronenstralen te bereiken. Complex, driedimensionale APF-opstellingen zouden daarom de basis kunnen vormen voor de deeltjesversnellertechnologie van de toekomst. "We moeten de elektronen in alle drie de dimensies vangen als we ze over langere afstanden willen versnellen zonder verlies, " legt Dr. Uwe Niedermayer van de TU Darmstadt uit, en co-auteur van de publicatie.