研究人員首次成功利用奈米設備加速電子。粒子加速器是工業、研究和醫療等眾多領域的重要工具。這些機器所需的空間從幾平方公尺到大型研究中心不等。利用雷射加速光子奈米結構中的電子是一種微觀替代方法，有可能大幅降低成本，並使設備的體積大大縮小。

到目前為止，還沒有證據顯示這種方法能大幅提高能量。換句話說，還沒有證明電子的速度確實有了顯著提升。現在，弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學（FAU）的雷射物理學家團隊與史丹佛大學的同事們同時成功展示了第一個奈米光子電子加速器。

德國聯邦科學院的研究人員首次成功地在只有幾奈米大小的結構中對電子進行了可測量的加速。在圖片中，您可以看到帶有這些結構的微型晶片，與之相比，這是一枚1 美分硬幣。圖片來源：FAU/Julian Litzel

粒子加速器及其奈米光子演變

當人們聽到”粒子加速器”時，大多數人可能會想到位於日內瓦的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，這個長約27 公里的環形隧道被來自全球各地的研究人員用來研究未知的基本粒子。然而，這種巨大的粒子加速器是個例外。在日常生活中，我們更有可能在其他地方遇到它們，例如在醫學影像程序或放射治療腫瘤的過程中。不過，即便如此，這些設備的體積仍有數公尺之大，而且相當笨重，在性能方面仍有待改進。

為了改進和縮小現有設備的體積，全球物理學家正在研究介質雷射加速裝置，也稱為奈米光子加速器。他們使用的結構長度僅為0.5 毫米，電子被加速通過的通道寬度僅為大約225 奈米，這使得這些加速器與電腦晶片一樣小。

粒子透過照射奈米結構的超短雷射脈衝加速。”最近發表的論文的四位主要作者之一Tomáš Chlouba 博士解釋說：”我們夢想的應用是在內視鏡上安裝粒子加速器，以便能夠直接對體內受影響的部位進行放射治療。

這個夢想對於彼得-霍梅爾霍夫（Peter Hommelhoff）教授領導的、由Tomáš Chlouba 博士、Roy Shiloh 博士、Stefanie Kraus、Leon Brückner 和Julian Litzel 組成的激光物理學教研室的FAU 團隊來說可能還遙不可及，但他們現在已經透過展示奈米光子電子加速器成功地朝著正確的方向邁出了決定性的一步。羅伊-希洛博士興奮地說：”我們第一次真正可以在晶片上實現粒子加速器。”

引導電子+加速=粒子加速器

就在兩年多前，研究小組取得了第一個重大突破：他們成功地使用了早期加速理論中的交替相聚焦（APF）方法來控制電子在真空通道中的長距離流動。這是建造粒子加速器道路上邁出的重要一步。現在，獲得大量能量所需的就是加速。

史蒂芬妮-克勞斯解釋說：「利用這種技術，我們現在不僅成功地引導了電子，而且還在這些奈米製造的結構中加速了電子，其長度達到半毫米。雖然這對許多人來說聽起來不算什麼成就，但它卻是加速器物理學領域的巨大成功，我們獲得了12 千電子伏特的能量。萊昂-布呂克納解釋。

為了將粒子加速到如此大的距離（從奈米尺度看），FAU 的物理學家將APF 方法與專門開發的柱形幾何結構結合。

不過，這次演示只是一個開始。現在的目標是提高能量和電子電流的增益，使晶片上的粒子加速器足以應用於醫學領域。為此，能量增益必須提高約100 倍。Tomáš Chlouba解釋了FAU雷射物理學家的下一步計劃。

埃爾蘭根雷射物理學家的研究成果幾乎同時被美國史丹佛大學的同事們展示出來： 他們的成果目前正在審查中，但可以在資料庫中查看。在戈登和貝蒂摩爾基金會（Gordon and Betty Moore Foundation）資助的一個專案中，這兩個團隊正在合作實現”晶片上的加速器”。
“2015年，FAU和史丹佛大學領導的ACHIP團隊對粒子加速器設計的革命性方法有了一個願景，”戈登和貝蒂-摩爾基金會的加里-格林伯格博士說，”我們很高興我們的支持幫助將這一願景變成了現實。”