研究人员首次成功利用纳米设备加速电子。粒子加速器是工业、研究和医疗等众多领域的重要工具。这些机器所需的空间从几平方米到大型研究中心不等。利用激光加速光子纳米结构中的电子是一种微观替代方法，有可能大大降低成本，并使设备的体积大大缩小。

到目前为止，还没有证据表明这种方法能大幅提高能量。换句话说，还没有证明电子的速度确实有了显著提高。现在，弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学（FAU）的激光物理学家团队与斯坦福大学的同事们同时成功展示了首个纳米光子电子加速器。

德国联邦科学院的研究人员首次成功地在只有几纳米大小的结构中对电子进行了可测量的加速。在图片中，您可以看到带有这些结构的微型芯片，与之相比，这是一枚 1 美分硬币。图片来源：FAU/Julian Litzel

粒子加速器及其纳米光子演变

当人们听到"粒子加速器"时，大多数人可能会想到位于日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，这个长约 27 公里的环形隧道被来自全球各地的研究人员用来研究未知的基本粒子。然而，这种巨大的粒子加速器是个例外。在日常生活中，我们更有可能在其他地方遇到它们，例如在医学成像程序或放射治疗肿瘤的过程中。不过，即便如此，这些设备的体积仍有数米之大，而且相当笨重，在性能方面还有待改进。

为了改进和缩小现有设备的体积，全球物理学家正在研究介质激光加速装置，也称为纳米光子加速器。他们使用的结构长度仅为 0.5 毫米，电子被加速通过的通道宽度仅为大约 225 纳米，这使得这些加速器与计算机芯片一样小。

粒子通过照射纳米结构的超短激光脉冲加速。"最近发表的论文的四位主要作者之一 Tomáš Chlouba 博士解释说："我们梦想的应用是在内窥镜上安装粒子加速器，以便能够直接对体内受影响的部位进行放射治疗。

这个梦想对于彼得-霍梅尔霍夫（Peter Hommelhoff）教授领导的、由 Tomáš Chlouba 博士、Roy Shiloh 博士、Stefanie Kraus、Leon Brückner 和 Julian Litzel 组成的激光物理学教研室的 FAU 团队来说可能还遥不可及，但他们现在已经通过展示纳米光子电子加速器成功地朝着正确的方向迈出了决定性的一步。罗伊-希洛博士兴奋地说："我们第一次真正可以在芯片上实现粒子加速器。"

引导电子+加速=粒子加速器

就在两年多前，研究小组取得了第一个重大突破：他们成功地使用了早期加速理论中的交替相聚焦（APF）方法来控制电子在真空通道中的长距离流动。这是建造粒子加速器道路上迈出的重要一步。现在，获得大量能量所需的就是加速。

斯蒂芬妮-克劳斯解释说："利用这种技术，我们现在不仅成功地引导了电子，而且还在这些纳米制造的结构中加速了电子，其长度达到半毫米。虽然这对许多人来说听起来并不算什么成就，但它却是加速器物理学领域的巨大成功，我们获得了 12 千电子伏的能量。莱昂-布吕克纳解释说。

为了将粒子加速到如此大的距离（从纳米尺度看），FAU 的物理学家将 APF 方法与专门开发的柱形几何结构相结合。

不过，这次演示只是一个开始。现在的目标是提高能量和电子电流的增益，使芯片上的粒子加速器足以应用于医学领域。为此，能量增益必须提高约 100 倍。Tomáš Chlouba解释了FAU激光物理学家的下一步计划。

埃尔兰根激光物理学家的研究成果几乎同时被美国斯坦福大学的同事们展示出来： 他们的成果目前正在审查中，但可以在资料库中查看。在戈登和贝蒂-摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）资助的一个项目中，这两个团队正在合作实现 "芯片上的加速器"。
"2015年，FAU和斯坦福大学领导的ACHIP团队对粒子加速器设计的革命性方法有了一个愿景，"戈登和贝蒂-摩尔基金会的加里-格林伯格博士说，"我们很高兴我们的支持帮助将这一愿景变成了现实。"