Stanford-onderzoekers komen dichter bij het bouwen van een kleine elektronenversneller op basis van ‘accelerator-on-a-chip’-technologie met brede potentiële toepassingen in het bestuderen van natuurkunde en medische en industriële toepassingen.

De onderzoekers hebben aangetoond dat een silicium diëlektrische laserversneller, of DLA, nu zowel elektronen kan versnellen als opsluiten, waardoor een gefocusseerde straal van hoogenergetische elektronen ontstaat. "Als de elektronen microscopisch kleine auto's waren, is het alsof we voor het eerst sturen en onze voet op het gaspedaal zetten", zegt Payton Broaddus, Ph.D. '23 in elektrotechniek en hoofdauteur van een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters op 23 februari met details over de doorbraak.

Versnellers van mijlen naar micron brengen

Versnellers produceren hoogenergetische deeltjesbundels waarmee natuurkundigen de eigenschappen van materialen kunnen bestuderen, gerichte sondes voor medische toepassingen kunnen produceren en de elementaire bouwstenen kunnen identificeren waaruit alle materie in het universum bestaat. Enkele van de eerste hoogenergetische deeltjesversnellers, ontwikkeld in de jaren dertig, zouden op een tafelblad kunnen passen.

Maar er waren hogere deeltjesenergieën nodig om geavanceerdere natuurkunde te bestuderen, dus moesten wetenschappers grotere systemen bouwen. (De oorspronkelijke lineaire versnellertunnel van het SLAC National Accelerator Laboratory op de Stanford-campus, die in 1966 werd opgestart, is bijna 3,2 km lang.)

Hoewel deze systemen talloze ontdekkingen in de deeltjesfysica mogelijk hebben gemaakt, is Broaddus gemotiveerd om een ​​kleine lineaire versneller te bouwen die uiteindelijk zou kunnen wedijveren met de capaciteiten van machines die meer dan duizend keer zo groot zijn, tegen een fractie van de kosten.

Dit zou ook nieuwe toepassingen in de geneeskunde mogelijk maken, zoals de mogelijkheid om dit apparaat aan een kleine sonde te bevestigen en nauwkeurig een elektronenstraal op een tumor te schieten. "Er bestaat de mogelijkheid om elke andere deeltjesversneller volledig te vervangen door iets dat goedkoper en kleiner is", zei hij.

Dankzij de vooruitgang op het gebied van fabricage op nanoschaal en lasers wordt deze visie steeds beter mogelijk, zegt Olav Solgaard, directeur van het Edward L. Ginzton Laboratory en de Robert L. en Audrey S. Hancock Professor aan de School of Engineering en senior auteur van het papier.

Traditionele radiofrequentieversnellers bestaan ​​uit koperen holtes die worden opgepompt met radiogolven, waardoor deeltjes een energieboost krijgen. Deze pulsen kunnen het metaal opwarmen, dus de holtes moeten met lagere energie en pulsfrequenties werken om de warmte af te voeren en smelten te voorkomen.

Maar glas- en siliciumstructuren kunnen veel hogere energiepulsen van lasers verwerken zonder op te warmen, dus ze kunnen veel krachtiger zijn en tegelijkertijd kleiner. Ongeveer tien jaar geleden begonnen Stanford-onderzoekers te experimenteren met structuren op nanoschaal gemaakt van deze materialen.

In 2013 demonstreerde een team onder leiding van co-auteur Robert Byer, de emeritus hoogleraar William R. Kenan Jr., dat een kleine glazen versneller met pulserend infrarood licht met succes elektronen had versneld. Deze resultaten hebben ertoe geleid dat het project werd aangenomen door de Gordon and Betty Moore Foundation in het kader van de internationale samenwerking Accelerator on a Chip (ACHIP) om een ​​mega-elektronen-volt-versneller ter grootte van een schoenendoos te produceren.

Maar deze eerste ‘versneller op een chip’ moest nog wat problemen oplossen. Zoals Broaddus het zegt:de elektronen binnenin waren als auto's op een smalle weg zonder stuurwielen. Ze kunnen heel snel accelereren, maar net zo gemakkelijk tegen een muur botsen.

Elektronen sturen met lasers

Nu heeft dit team van Stanford-onderzoekers met succes aangetoond dat ze ook op nanoschaal elektronen kunnen sturen. Om dit te doen, bouwden ze een siliciumstructuur met een submicronkanaal in een vacuümsysteem. Ze injecteerden elektronen in het ene uiteinde en verlichtten de structuur van beide kanten met een gevormde laserpuls die kicks van kinetische energie afleverde. Van tijd tot tijd wisselden de laservelden tussen focusserende en defocusserende eigenschappen, waardoor de elektronen samenbundelden, waardoor ze niet uit de koers raakten.

Alles bij elkaar werkte deze keten van versnelling, defocussering en focussering op de elektronen over een afstand van bijna een millimeter. Het klinkt misschien niet ver, maar deze geladen deeltjes kregen een behoorlijke kick en wonnen 23,7 kilo-elektron-volt aan energie, ongeveer 25% meer dan hun startenergie. De versnellingssnelheid die het team heeft weten te bereiken in hun prototype van een kleine versneller is vergelijkbaar met die van conventionele koperen versnellers, en Broaddus voegt eraan toe dat er veel hogere versnellingssnelheden mogelijk zijn.

Hoewel het een belangrijke stap voorwaarts is, moet er nog meer worden gedaan voordat deze kleine versnellers kunnen worden gebruikt in de industrie, de geneeskunde en het onderzoek. Tot nu toe is het vermogen van het team om elektronen te sturen beperkt tot twee dimensies; driedimensionale elektronenopsluiting zal nodig zijn om ervoor te zorgen dat de versneller lang genoeg is om grotere energiewinsten te realiseren.

Elektronenestafetterace

Een zusteronderzoeksgroep aan de Friedrich Alexander Universiteit (FAU) in Erlangen, Duitsland, demonstreerde onlangs een soortgelijk apparaat met een enkele laser en startend met een veel lagere startenergie. Het apparaat en het Stanford-apparaat zullen uiteindelijk deel uitmaken van een soort elektronenestafetterace, zei Broaddus.

Deze toekomstige estafette zou drie teamgenoten hebben:het FAU-apparaat zou elektronen met lage energie nemen en ze een eerste kick geven, en dan zouden ze in een apparaat kunnen worden ingevoerd dat lijkt op het apparaat dat Broaddus aan het ontwikkelen is. De laatste stap voor de elektronen zou een versneller van glas zijn, zoals die van Byer. Glas is bestand tegen nog grotere schokken door lasers dan silicium, waardoor de versneller nog meer energie kan krijgen en de elektronen naar de snelheid van het licht kan duwen.

Uiteindelijk gelooft Solgaard dat zo'n kleine versneller nuttig zal zijn in de hoge-energiefysica, waarbij de fundamentele materie waaruit het universum bestaat, zal worden onderzocht, net zoals zijn grotere tegenhangers dat doen. ‘We hebben nog een heel, heel lange weg te gaan’, zei hij. Maar hij is nog steeds optimistisch en voegt eraan toe:"we hebben de eerste paar stappen gezet."

Meer informatie: Payton Broaddus et al., Subrelativistische diëlektrische laserversnellers met afwisselende fasefocus, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.085001

Aangeboden door Stanford University