斯坦福仅半毫米长的微型加速器有望为医学和物理学突破带来巨大飞跃
斯坦福大学工程师取得的一项新进展可能会使粒子加速器广泛应用于科学、医学和工业领域。研究人员越来越接近制造出一种基于"片上加速器"技术的微型电子加速器，它在物理学研究以及医疗和工业用途方面具有广泛的应用潜力。
鞋盒大小的加速器示意图。电子源和分束器/注入器馈入亚相对论 DLA（本文中描述的设备），将电子加速到 1MeV 的能量。这些电子通过二氧化硅波导驱动的相对论DLA进一步加速，最后通过一个减压器产生相干自由电子辐射。资料来源：摩尔基金会/佩顿-布罗德斯
研究人员已经证明，硅介质激光加速器（DLA）现在既能加速电子，又能约束电子，形成一束聚焦的高能电子束。佩顿-布罗德斯（Payton Broaddus）说："如果电子是微型汽车，这就好比我们第一次掌握了方向盘，并把脚放在油门上。"
将加速器的能力从"英里"进化到"微米"
加速器产生的高能粒子束可以让物理学家研究材料的性质，制造用于医疗应用的聚焦探针，以及识别构成宇宙中所有物质的基本构件。最早的高能粒子加速器开发于 20 世纪 30 年代，可以放在桌面上。但研究更先进的物理学需要更高的粒子能量，因此科学家们需要建造更大的系统。(位于斯坦福大学校园内的SLAC 国家加速器实验室最初的直线加速器隧道于 1966 年投入使用，全长近 2 英里）。
这些系统使粒子物理学的众多发现成为可能，而布罗德斯的动力则是建造一种微型直线加速器，它的性能最终可以与体积是其一千倍以上的机器相媲美，而成本却只是后者的一小部分。这也将为医学领域带来新的应用，比如可以将这种设备安装在一个小型探针上，然后将电子束精确地射向肿瘤。
"我们有能力用更便宜、更小巧的设备完全取代其他所有粒子加速器。"Edward L. Ginzton实验室主任、工程学院Robert L. and Audrey S. Hancock教授、该论文的资深作者Olav Solgaard说，得益于纳米级制造和激光技术的进步，这一愿景越来越有可能实现。传统的射频加速器由铜腔组成，铜腔中注入无线电波，为粒子提供能量。这些脉冲会加热金属，因此空腔需要以较低的能量和脉冲速率运行，以散热并避免熔化。
但是，玻璃和硅结构可以承受激光器发出的更高能量脉冲而不会发热，因此它们的功率更大，体积也更小。大约 10 年前，斯坦福大学的研究人员开始试验用这些材料制成的纳米级结构。2013 年，论文合著者、小威廉-R-凯南名誉教授罗伯特-拜尔领导的研究小组证明，这种纳米结构的激光器可以在不加热的情况下产生更强的能量，同时体积也更小。凯南名誉教授罗伯特-拜尔（Robert Byer）领导的研究小组在 2013 年证明，一种带有脉冲红外光的微型玻璃加速器成功地加速了电子。这些成果促使该项目被戈登和贝蒂-摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）在"芯片上的加速器"（ACHIP）国际合作项目中采纳，以制造鞋盒大小的兆电子伏加速器。
但是，这种首个"芯片级加速器"仍有一些问题需要解决。正如布罗德斯所说，里面的电子就像行驶在没有方向盘的狭窄道路上的汽车。它们可以迅速加速，但也很容易撞墙。
半毫米长的介质激光加速器的扫描电子显微照片，电子在其中穿行并加速。标为黑色的单元是纵向聚焦和横向散焦单元（LFTD），而白色的单元是纵向散焦和横向聚焦单元（LDTF），它们使电子保持在轨道上。(图片来源：Broaddus, P., Egenolf, T., Black, D. S., Murillo, M., Woodahl, C., Miao, Y., ... Solgaard, O. (2024).亚相对论交变相聚焦介质激光加速器。物理评论快报》，132，085001。doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001)
用激光引导电子
现在，斯坦福大学的这组研究人员已经成功证明，他们也可以在纳米尺度上引导电子。为此，他们在真空系统中建立了一个带有亚微米通道的硅结构。他们将电子注入一端，并从两侧用定形激光脉冲照射该结构，该激光脉冲可提供踢动能。激光场周期性地在聚焦和散焦特性之间转换，从而将电子聚集在一起，防止它们偏离轨道。
这一连串的加速、散焦和聚焦作用在电子上的距离几乎达到了1毫米。这听起来似乎不远，但这些带电粒子却获得了相当大的能量，获得了 23.7 千电子伏特的能量，比它们的起始能量高出约 25%。研究小组在其微型加速器原型中所能达到的加速度与传统的铜加速器不相上下，布罗德德斯补充说，更高的加速度是有可能实现的。
虽然这是向前迈出的重要一步，但在将这些小型加速器用于工业、医学和研究领域之前，还有更多工作要做。迄今为止，研究小组引导电子的能力仅限于二维；要使加速器的长度足够长，以获得更大的能量增益，还需要三维电子约束。
电子接力赛
位于德国埃尔兰根的弗里德里希-亚历山大大学（Friedrich Alexander University，FAU）的一个姊妹研究小组最近展示了一个类似的装置，该装置使用单激光器，起始能量更低。布罗德斯说，它和斯坦福大学的设备最终将成为一种电子接力赛的一部分。
这个未来的中继器将有三名队友：FAU 的设备将接收低能量电子，并对其进行初始加速，然后将其送入类似于布罗德斯正在开发的设备中。电子的最后一步将是一个由玻璃制成的加速器，就像拜尔开发的那样。与硅相比，玻璃能承受更大的激光冲击，从而使加速器能进一步激发电子并将其推向光速。
索尔加德相信，这种微型加速器最终将在高能物理领域发挥作用，就像它的大型加速器一样，探索构成宇宙的基本物质。他说："我们还有很长很长的路要走。但他仍然很乐观，并补充说，"我们已经迈出了最初的几步"。
编译来源：ScitechDaily
