Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Een natuurkundige mijlpaal:miniatuurdeeltjesversneller werkt

Principe van gelijktijdige versnelling en bundelopsluiting in een nanofotonische structuur. een Een kort, ongeveer 5 μm lang deel van de versnellerstructuur met dubbele pijler (grijs). Laserlicht dat langs de kijkrichting invalt, genereert een optische modus binnen de structuur die met de elektronen meebeweegt (groen). Boven en onder:schetsen van de synchrone Lorentzkrachtcomponenten F z en F x inwerkend op een ontwerpelektron, dat wil zeggen een elektron dat synchroon is met de zich voortplantende nabije veldmodus en aanvankelijk gepositioneerd is in een fase van φ s  = 60°, weergegeven als een groene schijf. Vóór de fasesprong ervaart het elektron een versnellingskracht (F z positief). Tegelijkertijd werken de transversale krachten transversaal onscherp op de elektronen (F x negatief voor elektronen op negatief x coördinaten, zie bijvoorbeeld linksonder). Na een abrupte fasesprong van Δφ  = 120°, het elektron komt in dezelfde nanofotonische modus terecht in de volgende macrocel, maar is nu in fase verschoven naar φ s  = −60° (rechtsboven). Ook hier ervaart het elektron een versnellingskracht (positief F z ), maar nu werken de dwarskrachten focusserend (rechtsonder; zie ook c). ). Dit herhaalt zich met elke periode van het laserveld, dat wil zeggen elke 6,45 fs, wat wordt weergegeven voor meerdere laserperioden terwijl het elektron (groene schijf) zich door de structuur voortplant. Het gelijktijdig optredende longitudinale bundelen en onttrossen wordt in de hoofdtekst besproken. b , Een afbeelding van een fasesprong van een focusserende naar een defocusserende macrocel met Δφ  = 240° (effectief −120°), waarbij het ontwerpelektron wordt verschoven van φ s  = −60° tot φ s  = 60°. c ,d , Inzoomen op de relevante regio's in a en b respectievelijk, waarbij de pijlen het krachtveld op een bepaald moment weergeven. e , Gesimuleerde trajecten van elektronen terwijl ze door de versnellerstructuur reizen terwijl ze energie winnen (kleur toont momentane energie). De oranje en paarse blokken hierboven geven de overeenkomstige macrocellen weer die transversaal focussen (paars) en defocusseren (oranje). Credit:Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06602-7

Deeltjesversnellers zijn cruciale hulpmiddelen op een breed scala aan gebieden in de industrie, het onderzoek en de medische sector. De ruimte die deze machines nodig hebben varieert van enkele vierkante meters tot grote onderzoekscentra. Het gebruik van lasers om elektronen binnen een fotonische nanostructuur te versnellen vormt een microscopisch alternatief met het potentieel om aanzienlijk lagere kosten te genereren en apparaten aanzienlijk minder omvangrijk te maken.



Tot nu toe zijn geen substantiële energiewinsten aangetoond. Met andere woorden:het is niet aangetoond dat de snelheid van elektronen werkelijk significant is toegenomen. Een team van laserfysici van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) is er nu in geslaagd de eerste nanofotonische elektronenversneller te demonstreren – tegelijkertijd met collega's van Stanford University. De onderzoekers van FAU hebben hun bevindingen nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Als mensen 'deeltjesversneller' horen, zullen de meesten waarschijnlijk denken aan de Large Hadron Collider in Genève, de ongeveer 27 kilometer lange ringvormige tunnel die onderzoekers van over de hele wereld gebruikten om onderzoek te doen naar onbekende elementaire deeltjes. Dergelijke enorme deeltjesversnellers vormen echter een uitzondering. De kans is groter dat we ze op andere plaatsen in ons dagelijks leven tegenkomen, bijvoorbeeld bij medische beeldvormingsprocedures of tijdens bestraling om tumoren te behandelen.

Maar zelfs dan zijn de apparaten enkele meters groot en nog steeds behoorlijk omvangrijk, met ruimte voor verbetering op het gebied van prestaties. In een poging de omvang van bestaande apparaten te verbeteren of te verkleinen, werken natuurkundigen over de hele wereld aan diëlektrische laserversnelling, ook wel bekend als nanofotonische versnellers. De structuren die ze gebruiken zijn slechts 0,5 millimeter lang en het kanaal waar de elektronen doorheen worden versneld is slechts grofweg 225 nanometer breed, waardoor deze versnellers zo klein zijn als een computerchip.

Deeltjes worden versneld door ultrakorte laserpulsen die de nanostructuren verlichten. "De droomtoepassing zou zijn om een ​​deeltjesversneller op een endoscoop te plaatsen om radiotherapie rechtstreeks op het aangetaste gebied in het lichaam te kunnen toedienen", legt Dr. Tomáš Chlouba uit, een van de vier hoofdauteurs van het onlangs gepubliceerde artikel.

Deze droom ligt misschien nog steeds ver buiten het bereik van het FAU-team van de leerstoel Laserfysica onder leiding van prof. dr. Peter Hommelhoff en bestaande uit dr. Tomáš Chlouba, dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner en Julian Litzel, maar ze zijn er nu in geslaagd een beslissende stap in de goede richting te zetten door de nanofotonische elektronenversneller te demonstreren. "Voor het eerst kunnen we echt spreken over een deeltjesversneller op een chip", zegt Dr. Roy Shiloh.

Gidsende elektronen + versnelling =deeltjesversneller

Iets meer dan twee jaar geleden maakte het team hun eerste grote doorbraak:ze slaagden erin de alternerende fasefocusmethode (APF) uit de begindagen van de versnellingstheorie te gebruiken om de stroom van elektronen in een vacuümkanaal over lange afstanden te controleren. Dit was de eerste grote stap op weg naar de bouw van een deeltjesversneller. Het enige dat nodig was om grote hoeveelheden energie te winnen was versnelling.

"Met deze techniek zijn we er nu in geslaagd om niet alleen elektronen te geleiden, maar ze ook te versnellen in deze nano-gefabriceerde structuren over een lengte van een halve millimeter", legt Stefanie Kraus uit. Hoewel dit voor velen misschien niet als een grote prestatie klinkt, is het een enorm succes voor het vakgebied van de versnellerfysica. "We hebben een energiewinst van 12 kilo-elektronvolt gewonnen. Dat is een energiewinst van 43 procent", legt Leon Brückner uit.

Om de deeltjes over zulke grote afstanden te versnellen (gezien vanaf nanoschaal), combineerden de natuurkundigen van de FAU de APF-methode met speciaal ontwikkelde pilaarvormige geometrische structuren.

Deze demonstratie is echter nog maar het begin. Nu is het doel om de winst in energie en elektronenstroom zodanig te vergroten dat de deeltjesversneller op een chip voldoende is voor toepassingen in de geneeskunde. Om dit te bewerkstelligen zou de energiewinst met ongeveer een factor 100 moeten worden vergroot.

"Om hogere elektronenstromen bij hogere energieën aan de uitgang van de structuur te bereiken, zullen we de structuren moeten uitbreiden of meerdere kanalen naast elkaar moeten plaatsen", legt Tomáš Chlouba de volgende stappen van de FAU-laserfysici uit.

Meer informatie: Tomáš Chlouba, Coherente nanofotonische elektronenversneller, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06602-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Friedrich–Alexander Universiteit Erlangen–Neurnberg




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Verschillen tussen huisdiertraining en dierenconditionering
  2. Kan gentherapie kaalheid genezen?
  3. Uit onderzoek blijkt dat celkannibalisme en aanverwante verschijnselen in de levensboom wijdverbreid zijn
  4. De snelheid van verval berekenen
  5. Suikerpoep kan worden gebruikt om destructieve plantenplagen naar hun ondergang te lokken
  6. Welke structurele rol spelen fosfolipiden in cellen?
  7. De geleidbaarheid van zenuwcellen in het centrale zenuwstelsel
  8. Stichting om speciaal reservaat te creëren voor albino orang-oetan
  9. Onderzoek toont aan dat seksueel parasitisme zeeduivel hielp de diepzee binnen te dringen in een tijd van opwarming van de aarde

Wetenschap