Moore-Stiftung gibt Stanford $ 13,5 Millionen "Accelerator auf einem Chip" bauen

Die heutige Teilchenbeschleuniger sind massive Maschinen, aber Physiker an schrumpfen sie unten Tabletop Skalen jahrelang gearbeitet haben. Die Gordon and Betty Moore Foundation vergeben nur ein $ 13,5 Millionen an die Stanford University, einen Arbeitsgruppe "Beschleuniger auf einem Chip" entwickeln die Größe eines Schuhkartons in den nächsten fünf Jahren gewähren.

Die internationale Zusammenarbeit baut auf früheren Experimente von den Physikern am SLAC/Stanford und Deutschlands Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Im Erfolgsfall könnte der Prototyp in eine neue Generation von kompakten Teilchenbeschleunigern einläuten, die auf einem Labortisch mit Anwendungsmöglichkeiten im medizinischen Therapien, x-ray imaging und sogar Scanner Sicherheitstechnologien passen könnte.

Die Idee ist, "für Teilchenbeschleuniger tun was der Chip-Industrie für Computer getan hat", sagte SLAC National Accelerator Laboratory Physiker Joel England Gizmodo. Computern verwendet, um ganze Räume füllen zurück, wenn sie auf sperrige Vakuumschlauch Technologie verlassen. Die Erfindung des Transistors und spätere Entwicklung des Mikrochips machte es möglich, Computer auf Laptop und Handy-Skalen zu verkleinern. England sieht einen Tag, wenn wir in der Lage, einen Handheld-Teilchenbeschleuniger zu bauen sein könnte, obwohl "es gäbe Strahlung Probleme, so dass Sie wahrscheinlich in Ihrer Hand halten möchte nicht."

Es gibt mehr als eine konzeptionelle Ansatz zum Aufbau eines Tabletop-Beschleunigers. Die erste ist bekannt als Plasma-Wakefield-Beschleunigung, Beschleunigung von Elektronen auf sehr hohe Energien über wenige Zentimeter, im Vergleich zu zwei Meilen für Full-size Teilchenbeschleunigern heute fähig. Durch intensive, kurze Impulse von Laserlicht in ein Plasma (ionisiertes Gas Wolke) brennen, können die Wissenschaftler eine Welle Plätschern durch das Plasma, das eine Reihe von geladenen Teilchen in seinem Gefolge verlässt, genauso wie ein Speed-Boot über einen See racing, eine Folge des Wassers in seinem Weg Kannen erstellen. Hinzufügen eines zweiten Lasers drängen noch mehr Elektronen in das Plasma, und sie können das Gefolge, mehr Fahrt aufnehmen, indem Sie die Energie aus der Wakefield "Surfen".

Der Beschleuniger-on-a-Chip-Ansatz beschäftigt auch Laser, aber es arbeitet in einem Vakuum. Während das Plasma-Wakefield-Konzept das ionisierte Gas verwendet, um eine Struktur zu geben, die Laser-Beschleuniger baut man aus eine Art optische Material, das Dielektrikum ist: etwas, das wirkt als Isolator, elektrische Kraft ohne Durchführung übertragen. 2013- Nature -Artikels beschrieben einen erfolgreiche Prototyp, der einen Laser benutzt, um Elektronen durch einen Nano-strukturierten Kieselsäure Glas Chip kleiner als ein Reiskorn aus Reis und nur 12 Zoll lang zu beschleunigen. Diese Experimente beschleunigt erfolgreich die Elektronen zur Lichtgeschwindigkeit erreichen Preise 10 Mal höher als SLACs Linearbeschleuniger in der Nähe von.

Das alles geschieht im Inneren einen kleinen Kanal, der weniger als 1/200th misst der Dicke eines menschlichen Haares. Laserlicht (in diesem Fall in der Infrarot-Regime) hat elektrische Felder, die hin und her schwingen haben, und wenn die Elektronen beschleunigen wollen, müssen sie mehr positiven elektrische Kraft als retardierende elektrische Kraft begegnen. Die Physiker erreicht dies durch Ätzen Nanoscale Muster von Graten und Lücken an den Kanalwänden. Dies erhöht das elektrische Feld in den Kanten und reduziert es die Lücken und bewies die Elektronen durch die Grate mit einen Energieschub. Da sie nur ein bisschen Energie durch die kleinere Lücken verlieren, beenden sie herauf Energie zu gewinnen.

Im selben Jahr veröffentlichte der deutsche Physiker, unter der Leitung von Peter Hommelhoff, die Ergebnisse ihrer Experimente in Physical Review Letters. Ohne die erste Steigerung der Elektronen um Licht beschleunigt in der Nähe von erreicht sie ähnliche Ergebnisse. Zusammengenommen, diese zwei Experimente gezeigt, dass das Konzept sehr machbar und reif für die weitere Entwicklung.

Nach England ist die Idee, dass alles gemacht werden kann, mit vorhandenen Mikro Fertigungstechniken, mit jeder einzelnen Phase des Gaspedals auf einem einzelnen Silizium-Wafer hergestellt. Mehrere davon hintereinander zu stapeln, und es wird möglich sein, um höhere Energien, viel gehen, wie herkömmliche Beschleuniger eine Reihe von Metall Hohlräume verwenden; Je mehr Energie Sie möchten, die mehr solche Struktur erforderlich sind. "Aber unser erste Ziel ist es einfach, alle Komponenten zu entwickeln und dann herausfinden, wie sie mit einem einzigen Satz der Fertigungsschritte auf einem einzelnen Wafer zu integrieren", sagte er.

"Der Chip ist die wichtigste Zutat, aber eine funktionierende Accelerator ist weit mehr als nur diese Komponente" Hommelhoff (Co-Principal Investigator der Zusammenarbeit zusammen mit England) sagte in einer Pressemitteilung. "Wir wissen, was die wichtigsten Herausforderungen und wir wissen nicht, wie sie noch zu lösen." Aber als Wissenschaftler wir auf diese Art von Herausforderung."

Referenzen:

Breuer, John und Hommelhoff, Peter. (2013) "Laser-basierten Beschleunigung nicht relativistischen Elektronen bei einem dielektrischen Aufbau" Physical Review Letters 111:134803.

Gänger, A. J. Et Al. (2015) "Multi-MeV Electron Beschleunigung von Subterawatt Laserpulse," Physical Review Letters 115(19).

Litos, Et al. (2014) "High-Efficiency Beschleunigung der ein Elektronenstrahl in einem Plasma-Wakefield-Beschleuniger" Natur 515:92-95.

Peralta, E.A. Et Al. (2013) "Demonstration der Elektron-Accelerationin Laser-gesteuerte dielektrische Mikrostruktur," Natur 503:91-94.

Bild oben: SLAC national Accelerator Laboratory. Bild unten: Andrew Ceballos/Stanford und Chunghun Lee/SLAC.