약 1mm의 거리에 걸쳐 전자를 가두거나 가속할 수 있는 새로운 레이저 구동 장치가 미국 연구진에 의해 개발되었습니다. 나노과학, 레이저, 진공 기술의 진보를 결합함으로써, 페이튼 브로더스(Payton Broaddus)와 동료들 스탠포드 대학에서는 현재까지 최고 성능의 유전체 레이저 가속기(DLA)를 개발했다고 밝혔습니다.
유용한 가속기는 전자와 같은 하전 입자를 높은 운동 에너지로 유도할 뿐만 아니라 입자를 좁은 빔으로 가둘 수 있어야 합니다. 또한 빔은 가능한 한 단일에너지에 가까워야 합니다.
현대 시설에서는 일반적으로 구리 또는 최근에는 니오븀과 같은 초전도체로 코팅된 무선 주파수(RF) 공동을 사용하여 수행됩니다. 강력한 RF 신호로 구동될 때 이러한 공진 공동은 입자를 매우 특정한 에너지로 가속시키는 매우 높은 전압을 발생시킵니다. 그러나 이러한 방식으로 달성할 수 있는 최대 입자 에너지에는 물리적 한계가 있습니다.
Broaddus는 “전자기장을 너무 크게 만들면 [공동] 벽이 손상되어 기계가 망가질 수 있습니다.”라고 설명합니다. "이것은 현재 모든 기존 가속기의 주요 제한 사항이며 안전한 가속 경사도를 미터당 수십 메가전자볼트로 제한합니다." 실제로 이것이 더 높은 입자 에너지를 달성하기 위해 가속기가 점점 더 커지고 더 비싸지는 주된 이유입니다.
대체 가속기 설계
더욱 컴팩트한 장치를 만들기 위해 전 세계 연구자들은 최단 거리에서 가능한 가장 높은 가속도 기울기를 달성한다는 목표를 가지고 다양한 대체 가속기 기술을 탐색하고 있습니다.
유망한 기술 중 하나는 1950년대에 처음 고안된 DLA입니다. DLA에서는 전도성 공동에 RF 신호를 보내는 대신 유전 물질 내의 작은 채널을 통해 레이저를 발사합니다. 이는 공진 공동 역할을 하는 채널 내에 교류 전기장을 생성합니다. 공동의 나노 구조를 최적화하고 전자가 채널을 통해 전송되는 시기를 신중하게 조정함으로써 입자가 가속됩니다.
이 설정의 물리학은 기존 가속기 설계와 대체로 유사하지만 훨씬 더 높은 가속 기울기를 제공합니다. 이는 적어도 원칙적으로는 가속기의 크기를 줄이는 데 사용될 수 있습니다.
Broaddus는 “이러한 유전체가 레이저에서 살아남을 수 있는 장(field)은 구리가 RF 파동에서 처리할 수 있는 것보다 1~2배 더 높기 때문에 이론적으로 1~2배 더 높은 가속도 기울기를 가질 수 있습니다.”라고 Broaddus는 설명합니다. 그러나 그는 공동의 폭을 6배나 줄이면 전자를 빔에 가두어 공동 벽에 충돌하지 않도록 하는 방법을 포함하여 문제가 발생한다고 지적합니다.
이제 Broaddus와 동료들은 세 가지 기술 발전을 활용하여 이 문제를 해결했습니다. 이는 매우 정밀한 반도체 나노구조를 생성하는 능력입니다. 안정적인 반복률로 밝고 일관된 펨토초 레이저 펄스를 생성하는 능력; 밀리미터 길이의 반도체 공동 내에서 초고진공을 유지하는 능력.
새로운 나노구조 및 펄스
나노 구조의 세심한 설계와 특수한 형태의 레이저 펄스 사용을 통해 연구팀은 전자를 빔에 집중시키는 새로운 공동 내에 전기장을 생성할 수 있었습니다.
이를 통해 팀은 제한된 전자빔을 0.708mm의 거리로 가속하여 에너지를 24keV만큼 높일 수 있었습니다. Broaddus는 “이는 이전 가속기에 비해 두 가지 성능 지수가 모두 XNUMX배 증가했음을 나타냅니다.”라고 설명합니다.
역설계 알고리즘에 의해 생성된 Accelerator-on-a-Chip
최근 성과를 바탕으로 팀은 DLA가 하위 상대론적 전자 에너지를 달성하는 연구자의 능력을 크게 향상시킬 수 있다고 확신합니다. Broaddus는 “DLA는 이제 실제 가속기 기술로 간주되어 장치에서 기존 가속기 매개변수를 추출할 수 있으며 이를 다른 가속기 기술과 비교할 수 있습니다.”라고 설명합니다.
결과적으로 이러한 개선은 기초 물리학의 새로운 발견을 위한 길을 열 수 있으며 산업 및 의학을 포함한 분야에서 새로운 이점을 제공할 수도 있습니다.
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).
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- 출처: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
