In een voorschot dat deeltjesversnellers voor wetenschap en geneeskunde drastisch zou kunnen doen krimpen, onderzoekers gebruikten een laser om elektronen te versnellen met een snelheid die 10 keer hoger is dan conventionele technologie in een nanogestructureerde glaschip die kleiner is dan een rijstkorrel.

De prestatie werd vandaag gemeld in Natuur door een team met wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Stanford University.

"We hebben nog een aantal uitdagingen voordat deze technologie praktisch wordt voor gebruik in de echte wereld, maar uiteindelijk zou het de omvang en de kosten van toekomstige hoogenergetische deeltjesversnellers aanzienlijk verminderen voor het verkennen van de wereld van fundamentele deeltjes en krachten, " zei Joel Engeland, de SLAC-fysicus die de experimenten leidde. "Het kan ook helpen om compacte versnellers en röntgenapparaten mogelijk te maken voor beveiligingsscans, medische therapie en beeldvorming, en onderzoek in de biologie en materiaalkunde."

Omdat het gebruik maakt van commerciële lasers en goedkope, massaproductietechnieken, de onderzoekers denken dat het de weg zal banen voor nieuwe generaties 'tabletop'-versnellers.

Op zijn volle potentieel, de nieuwe "versneller op een chip" zou het versnellende vermogen van SLAC's 2-mijl lange lineaire versneller in slechts 30 voet kunnen evenaren, en een miljoen extra elektronenpulsen per seconde afgeven.

Deze eerste demonstratie bereikte een versnellingsgradiënt, of hoeveelheid gewonnen energie per lengte, van 300 miljoen elektronvolt per meter. Dat is ongeveer 10 keer de versnelling van de huidige lineaire SLAC-versneller.

"Ons uiteindelijke doel voor deze structuur is 1 miljard elektronvolt per meter, en we zijn al een derde van de weg in ons eerste experiment, " zei Stanford-professor Robert Byer, de hoofdonderzoeker van dit onderzoek.

De versnellers van tegenwoordig gebruiken microgolven om de energie van elektronen te verhogen. Onderzoekers zijn op zoek naar meer economische alternatieven, en deze nieuwe techniek, die ultrasnelle lasers gebruikt om het gaspedaal aan te drijven, is een leidende kandidaat.

Deeltjes worden over het algemeen in twee fasen versneld. Eerst worden ze opgevoerd tot bijna de lichtsnelheid. Dan verhoogt elke extra versnelling hun energie, maar niet hun snelheid; dit is het uitdagende deel.

In de versneller-op-een-chip-experimenten, elektronen worden eerst versneld tot bijna de lichtsnelheid in een conventionele versneller. Dan worden ze geconcentreerd in een kleine, half micron hoog kanaal in een chip van gesmolten silicaglas van slechts een halve millimeter lang. Het kanaal was van een patroon voorzien met nauwkeurig uit elkaar geplaatste richels op nanoschaal. Infrarood laserlicht dat op het patroon schijnt, genereert elektrische velden die interageren met de elektronen in het kanaal om hun energie te verhogen. (Zie de bijbehorende animatie voor meer details.)

Om van de versneller op een chip een volwaardige tafelversneller te maken, is een compactere manier nodig om de elektronen op snelheid te krijgen voordat ze het apparaat binnenkomen.

Een samenwerkende onderzoeksgroep in Duitsland, onder leiding van Peter Hommelhoff van het Max Planck Institute of Quantum Optics, is op zoek naar een dergelijke oplossing. Het rapporteert tegelijkertijd in Fysieke beoordelingsbrieven het succes ervan bij het gebruik van een laser om elektronen met lagere energie te versnellen.

Toepassingen voor deze nieuwe deeltjesversnellers zouden veel verder gaan dan deeltjesfysica-onderzoek. Byer zei dat laserversnellers compacte röntgenvrije-elektronenlasers kunnen aandrijven, vergelijkbaar met Linac Coherent Light Source van SLAC, dat zijn universele hulpmiddelen voor een breed scala aan onderzoek.

Een andere mogelijke toepassing is klein, draagbare röntgenbronnen ter verbetering van de medische zorg voor mensen die tijdens gevechten gewond zijn geraakt, evenals meer betaalbare medische beeldvorming voor ziekenhuizen en laboratoria. Dat is een van de doelen van het Advanced X-Ray Integrated Sources (AXiS)-programma van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die dit onderzoek gedeeltelijk financierde. De primaire financiering voor dit onderzoek komt van het DOE's Office of Science.