矽晶片上的雷射驅動粒子加速器由兩個獨立的研究小組創建。 經過進一步改進，這種介電雷射加速器可以用於醫學和工業，甚至可以在高能粒子物理實驗中找到應用。
將電子加速到高能量通常是在大型且昂貴的設施中長距離完成的。 例如，德國歐洲 X 射線自由電子雷射核心的電子加速器長 3.4 公里，加州史丹佛線性加速器 (SLAC) 長 3.2 公里。
因此，電子加速器在醫學和工業的實際應用受到嚴格限制。 尺寸和成本也是基於加速器的粒子物理學的因素，隨著碰撞能量的提高，設施變得越來越大、越來越昂貴。
衝浪者在海浪中
在傳統的加速器中，金屬腔體中電場的微波振盪會加速電子，就像行波上的衝浪者一樣。 最大加速度梯度通常為每公尺數十兆伏，由空腔中金屬部件之間存在的最大電場定義。
「沒有人確切知道[金屬]表面發生了什麼，這仍然是一個活躍的研究領域……但是當場變得太大時，表面上會生長出一些像微小金字塔一樣的東西，然後電子噴出，場就會崩潰，」說 彼得·霍梅爾霍夫 德國埃爾蘭根-紐倫堡弗里德里希-亞歷山大大學。
傳統加速器的成本和技術挑戰意味著研究人員熱衷於開發替代加速方法。 在這項最新研究中，透過將雷射脈衝發射到由矽奈米結構製成的微小光學腔中來產生振盪電場。
霍梅爾霍夫說，物理學家花了近三十年的時間才意識到電子加速也可以使用光頻光驅動的奈米光子腔體來實現。 使用光學有助於縮小設備尺寸，因為輻射的波長比微波短得多。
無需金屬
Hommelhoff 指出了這種方法的另一個重要好處：「當你用雷射驅動這些頻率時，你不需要金屬結構」。 他補充道，「如果你只使用普通玻璃就足夠了……並且你可以產生與微波腔和微波場產生的模式相同的模式」。
由於空腔是絕緣體，因此表面上的點不會出現高濃度的電荷。 因此，加速梯度的唯一限制是材料的電擊穿場。
原則上，這允許粒子加速器的奈米光子集成，在微小、精確聚焦的光束線中產生電子束。 然而，也存在實際挑戰。 每個束中的電子相互排斥，將電子束保持在一起需要透過外力聚焦。 此外，一束在一個方向上的壓縮會導致它向其他方向擴散。
斥力問題
在先前的工作中，包括 Hommelhoff 和 奧拉夫·索爾加德 加州史丹佛大學的研究人員證明，可以使用交替相位聚焦來緩解這種排斥問題。 在這項技術中，電子交替地被限制在一個方向上，然後被限制在另一個方向上，從而產生振盪場分佈。
現在，兩個獨立的研究小組已經完成了這些加速器的新工作。 其中一項由弗里德里希-亞歷山大大學的霍梅爾霍夫領導。 另一個小組是索爾加德領導的史丹佛大學科學家和德國達姆施塔特工業大學研究人員的合作 烏韋·尼德邁爾。 兩個團隊都創造了奈米光子介電雷射加速器，可以增強電子束的能量，而不會破壞電子束。 索爾加德和尼德邁爾的團隊製造了兩台加速器——一台在史丹佛大學設計，另一台在達姆施塔特工業大學設計。 一台加速器可在 96 μm 的距離內將 25 keV 電子的能量提高 708%。 這大約是人類頭髮厚度的十倍。
「我認為我對電子施加的力比任何人都多，」索爾加德說。
Hommelhoff 小組的裝置在較低能量下工作，在 28.4 μm 範圍內將電子從 40.7 keV 加速到 500 keV。 正如霍梅爾霍夫所解釋的，這也帶來了自身的挑戰。 「當你想要加速非相對論性的電子時——在我們的例子中，它們僅以光速的三分之一傳播——這並不容易，而且產生與電子共同傳播的光學模式的效率也較低。”
更高的擊穿場
研究人員現在正在尋求透過使用擊穿場比矽更高的材料製造裝置來實現更高的場梯度。 他們相信，在短期內，他們的加速方案可以在醫學影像和暗物質搜尋中找到應用。
新型粒子加速器由彎曲雷射光束驅動
索爾加德表示，他“可能屬於極少數認為這將在高能物理學中發揮作用的人”，但這項技術應該可用於石英等材料，石英的擊穿場幾乎是傳統材料的 1000 倍。加速器。 「我們的毫米變成了米，」他說； “當我們達到一米時，我們應該在能源方面與 SLAC 相匹配……考慮一下在我的辦公室裡放置一個與 SLAC 相匹配的加速器。”
「我認為這[兩個團隊]已經向真正的晶片加速器邁出了重要的新一步，」加速器科學家說 卡斯滕·韋爾什 英國利物浦大學的教授。 然而，他警告說，在光束控制和微型診斷方面還有很多工作要做。 在應用方面，他說：「我和他們一樣對類似導管的醫療應用持樂觀態度，將電子帶到需要的地方，特別是對於微型光源，我個人認為其中潛力最大。 高品質電子束和光的結合確實可以開啟全新的研究機會和應用。”
然而，韋爾奇對粒子對撞機等應用仍然不相信，他指出這類機器需要高亮度和高光束品質。 「下一個大型強子對撞機將不會是介電雷射加速器，」他總結道。
