據(jù)報道，一支合作研究團(tuán)隊正在嘗試將電光物理學(xué)和硅基MEMS結(jié)構(gòu)相結(jié)合，針對目前使用的長達(dá)數(shù)公里的粒子加速器，他們要打造一款芯片尺寸的電子加速器。

長約30公里的國際直線對撞機（International Linear Collider），由兩臺大型超導(dǎo)直線加速器組成

物理學(xué)家和工程師們都了解高能電子粒子加速器的成本有多高昂，為了達(dá)到兆電子伏特（MeV）能級，需要長達(dá)數(shù)公里的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在探索一種新的方法，利用MEMS技術(shù)打造超小型通道和結(jié)構(gòu)。這與基于MEMS技術(shù)的陀螺儀、激光測量、諧振器和光譜儀類似。

由美國Gordon和Betty Moore基金資助的“芯片上加速器國際計劃（AChIP）”，專注于打造硅基電子加速器。這項多學(xué)科、多機構(gòu)合作的計劃，目標(biāo)是在芯片上生成具有1 MeV能量的電子脈沖，產(chǎn)生飛秒到阿秒（10?1?到10?1?秒）的脈沖。

在發(fā)表于《物理評論快報》的論文中，德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)（TU Darmstadt）加速器物理組的電氣工程師開發(fā)了一種微型激光驅(qū)動電子加速器設(shè)計，理論上它可以小到在硅基芯片上進(jìn)行制造。

該設(shè)計在其核心采用了玻璃和硅基結(jié)構(gòu)，用外部激光作為能源，而非傳統(tǒng)加速器采用的微波發(fā)生器。玻璃的高電場強度意味著可以提高粒子加速率。因此，相同的能量可以在更短的物理空間內(nèi)轉(zhuǎn)移到粒子上。由此得到的加速器要比提供相同能量的傳統(tǒng)加速器短一個數(shù)量級。

當(dāng)然，理論上說起來容易做起來難，因為芯片上電子的真空通道必須非常小，這反過來要求電子束非常聚焦。現(xiàn)有加速器中使用的傳統(tǒng)磁聚焦方法太弱，而無法滿足這一要求，因此需要開發(fā)一種全新的聚焦方法才能使芯片上加速器成為現(xiàn)實。

1、上圖為用硅材料制造的雙柱結(jié)構(gòu)，采用基于激光的光學(xué)相位控制來聚焦電子加速和減速區(qū)。

在這里，激光、電子和深物理的融合變得更加復(fù)雜、先進(jìn)和微妙。德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的AChIP小組開發(fā)了一種不同的解決方案，利用源激光場將電子聚焦在僅420 nm寬的通道中。他們的研究只是這個高度復(fù)雜、基礎(chǔ)廣泛的合作計劃的一部分。

與磁基加速器的電子動力學(xué)不同，這種基于MEMS的加速器實現(xiàn)了與傳統(tǒng)硅制造兼容的二維設(shè)計。它使用一種稱為交變相聚焦（APF）的技術(shù)，沿著芯片表面平面的兩個方向引發(fā)激光驅(qū)動的聚焦和散焦交替。雖然有些違反直覺，但物理學(xué)完全支持這一理論，它保證了沿縱軸和橫軸的粒子穩(wěn)定性，并將電子保持在應(yīng)處的位置。

2、雙柱介電激光加速（DLA）結(jié)構(gòu)示意圖和參考粒子周圍的粒子束示意圖（上部），以及縱向時諧電場模擬（底部）。

這里討論的APF技術(shù)也可用于將電子注入加速器結(jié)構(gòu)所需的聚束。正弦能量的產(chǎn)生和去除也會產(chǎn)生電子能量擴散很低的極短（阿秒）束長。

3、電子加速器完整示意圖，顯示每個連續(xù)階段的脈沖和能量的累積。

醫(yī)用直線加速器

對于這款器件的非研究用途，它能否或何時實現(xiàn)實際應(yīng)用，目前可能還不清楚。總體來說，就像當(dāng)它首次展示時有評論戲稱，這項技術(shù)是“尋求問題來解決的解決方案”。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種可能用途，是作為一種組合的加速器-內(nèi)窺鏡，利用電子照射人體內(nèi)深處的腫瘤。