史丹佛大學工程師取得的一項新進展可能會使粒子加速器廣泛應用於科學、醫學和工業領域。研究人員越來越接近製造出一種基於”片上加速器”技術的微型電子加速器，它在物理學研究以及醫療和工業用途方面具有廣泛的應用潛力。

鞋盒大小的加速器示意圖。電子源和分束器/注入器饋入亞相對論DLA（本文所述的設備），將電子加速到1MeV 的能量。這些電子透過二氧化矽波導驅動的相對論性DLA進一步加速，最後透過一個減壓器產生相干自由電子輻射。資料來源：摩爾基金會/佩頓-布羅德斯

研究人員已經證明，矽介質雷射加速器（DLA）現在既能加速電子，又能約束電子，形成一束聚焦的高能量電子束。佩頓-布羅德斯（Payton Broaddus）說：”如果電子是微型汽車，這就好比我們第一次掌握了方向盤，並把腳放在油門上。”

將加速器的能力從”英里”進化到”微米”

加速器產生的高能量粒子束可以讓物理學家研究材料的性質，製造用於醫療應用的聚焦探針，以及識別構成宇宙中所有物質的基本構件。最早的高能粒子加速器開發於20 世紀30 年代，可以放在桌面上。但研究更先進的物理學需要更高的粒子能量，因此科學家需要建造更大的系統。(位於史丹佛大學校園內的SLAC 國家加速器實驗室最初的直線加速器隧道於1966 年投入使用，全長近2 英里）。

這些系統使粒子物理學的許多發現成為可能，而布羅德斯的動力則是建造一種微型直線加速器，它的性能最終可以與體積是其一千倍以上的機器相媲美，而成本卻只是後者的一小部分。這也將為醫學領域帶來新的應用，例如可以將這種設備安裝在一個小型探針上，然後將電子束精確地射向腫瘤。

“我們有能力用更便宜、更小巧的設備完全取代其他所有粒子加速器。”Edward L. Ginzton實驗室主任、工程學院Robert L. and Audrey S. Hancock教授、該論文的資深作者Olav Solgaard說，得歸功於奈米級製造和雷射技術的進步，這個願景越來越有可能實現。傳統的射頻加速器由銅腔組成，銅腔中註入無線電波，為粒子提供能量。這些脈衝會加熱金屬，因此空腔需要以較低的能量和脈衝速率運行，以散熱並避免熔化。

但是，玻璃和矽結構可以承受雷射器發出的更高能量脈衝而不會發熱，因此它們的功率更大，體積也更小。大約10 年前，史丹佛大學的研究人員開始試驗用這些材料製成的奈米級結構。2013 年，論文合著者、小威廉-R-凱南名譽教授羅伯特-拜爾領導的研究小組證明，這種奈米結構的雷射可以在不加熱的情況下產生更強的能量，同時體積也更小。凱南名譽教授羅伯特-拜爾（Robert Byer）領導的研究小組在2013 年證明，一種帶有脈衝紅外光的微型玻璃加速器成功地加速了電子。這些成果促使該計畫被戈登和貝蒂-摩爾基金會（Gordon and Betty Moore Foundation）在”晶片上的加速器”（ACHIP）國際合作計畫中採納，以製造鞋盒大小的兆電子伏加速器。

但是，這種首個”晶片級加速器”仍有一些問題需要解決。正如布羅德斯所說，裡面的電子就像行駛在沒有方向盤的狹窄道路上的汽車。它們可以迅速加速，但也很容易撞擊牆壁。

半毫米長的介質雷射加速器的掃描電子顯微照片，電子在其中穿行並加速。標示為黑色的單元是縱向聚焦和橫向散焦單元（LFTD），而白色的單元是縱向散焦和橫向聚焦單元（LDTF），它們使電子保持在軌道上。(圖片來源：Broaddus, P., Egenolf, T., Black, DS, Murillo, M., Woodahl, C., Miao, Y., … Solgaard, O. (2024).亞相對論交變相聚焦介質雷射加速器。物理評論快報》，132，085001。doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001)

用雷射導電子

現在，史丹佛大學的這組研究人員已經成功證明，他們也可以在奈米尺度上引導電子。為此，他們在真空系統中建立了一個帶有亞微米通道的矽結構。他們將電子注入一端，並從兩側用定形雷射脈衝照射該結構，該脈衝可提供踢動能。雷射場週期性地在聚焦和散焦特性之間轉換，從而將電子聚集在一起，防止它們偏離軌道。

這一連串的加速、散焦和聚焦作用在電子上的距離幾乎達到了1毫米。這聽起來似乎不遠，但這些帶電粒子卻獲得了相當大的能量，獲得了23.7 千電子伏特的能量，比它們的起始能量高出約25%。研究團隊在其微型加速器原型中所能達到的加速度與傳統的銅加速器不相上下，布羅德德斯補充說，更高的加速度是有可能實現的。

雖然這是向前邁出的重要一步，但在將這些小型加速器用於工業、醫學和研究領域之前，還有更多工作要做。迄今為止，研究小組引導電子的能力僅限於二維；要使加速器的長度足夠長，以獲得更大的能量增益，還需要三維電子約束。

電子接力賽

位於德國埃爾蘭根的弗里德里希-亞歷山大大學（Friedrich Alexander University，FAU）的一個姊妹研究小組最近展示了一個類似的裝置，該裝置使用單雷射器，起始能量更低。布羅德斯說，它和史丹佛大學的設備最終將成為一種電子接力賽的一部分。

這個未來的中繼器將有三名隊友：FAU 的設備將接收低能量電子，並對其進行初始加速，然後將其送入類似於布羅德斯正在開發的設備中。電子的最後一步將是一個由玻璃製成的加速器，就像拜爾開發的那樣。與矽相比，玻璃能承受更大的雷射衝擊，使加速器能進一步激發電子並將其推向光速。

索爾加德相信，這種微型加速器最終將在高能物理領域發揮作用，就像它的大型加速器一樣，探索構成宇宙的基本物質。他說：”我們還有很長很長的路要走。但他仍然很樂觀，並補充說，”我們已經邁出了最初的幾步”。

編譯來源：ScitechDaily