Вчені створили крихітні прискорювач-на-чіпі
Вчені з Стенфордського університету і Національної лабораторії лінійних прискорювачів SLAC американського Міністерства енергетики (U.S. Department of Energy, DOE) створили зовсім крихітний прискорювач частинок, основним робочим тілом якого є кристал з кварцового скла, довжиною всього в п'ять міліметрів. Незважаючи на такі малі розміри, рівень прискорення електронів в такому прискорювачі в 10 разів перевищує рівень прискорення в існуючих на сьогоднішній день лінійних прискорювачах частинок. Згідно статті, опублікованій в останньому випуску журналу Nature, розроблена вченими технологія стане тим, що дозволить створити надмініатюрні прискорювачі частинок і джерела різних видів випромінювання для наукових і медичних цілей.
"Звичайно, існує ще цілий ряд проблем, які необхідно вирішити, перш ніж розроблена нами технологія зможе використовуватися на практиці. Але, в будь-якому разі, впровадження розроблених нами принципів може допомогти істотно скоротити розміри і вартість майбутніх прискорювачів і коллайдерів, розгонюючи частинки до надвисоких енергій, що дозволить вченим досліджувати світ елементарних частинок і їх взаємодій" - розповідає Джоел Энглэнд (Joel England), вчений-фізик з лабораторії SLAC.
"Також наша технологія прискорення частинок з допомогою світла лазера дозволить створити компактні прискорювачі електронів, які забезпечать роботу джерел рентгенівського та інших типів випромінювань для систем безпеки, для медичної радіотерапії, для проведення зйомки різних біологічних структур і вивчення всіляких матеріалів".
Як вже згадувалося вище, незважаючи на малі розміри, можливості нового прискорювача-на-чіпі перевершують можливості всіх існуючих лінійних прискорювачів. Якщо, використовуючи розроблену технологію, виготовити прискорювач, довжиною близько 30 метрів, енергія, до якої він зможе розганяти електрони, буде відповідати енергії, до якої розганяє електрони великий лінійний прискорювач SLAC, довжина якого перевищує 3 км (2 милі). При цьому, компактний прискорювач буде здатний виробляти імпульси високоенергетичних електронів з частотою в мільйони разів в секунду.
Досвідчений зразок мініатюрного прискорювача демонструє градієнт прискорення, кількість енергії, отриманої краще розганяється часткою за певну довжину прискорювача, рівний 300 мільйонам електронвольт на метр. Це - приблизно в 10 разів більше, ніж величина прискорення в існуючих на сьогоднішній день найбільш потужних лінійних прискорювачах. "Нашою кінцевою метою є досягнення величини в один мільярд електронвольт на метр, і вже в наших перших експериментах ми вже отримали одну третину від нашої мети", - розповідає Роберт Баєр (Robert Byer), професор фізики Стенфордського університету та науковий керівник даного проекту.
Сучасні прискорювачі використовують мікрохвильове випромінювання для розгону і збільшення енергії електронів. Дослідники, у пошуках більш економних альтернативних варіантів прискорення електронів, використовували світло ультраскоростных лазерів для реалізації абсолютно нового принципу прискорення частинок. У новому прискорювачі частинки розганяють за два етапи. Спочатку вони розганяються традиційними способами майже до швидкості світла. Після цього будь-який додатковий вплив не збільшує їх швидкість, а збільшує кількість міститься в них енергії. Саме другий, найбільш важливий етап прискорення, відбувається в межах каналу, товщина якого становить половину мікрона і який знаходиться в межах кристала кварцового скла.
Розгінний канал має досить складну структуру. Його поверхня покрита точно розташованими нанорозмірними виступами. Інфрачервоне світло, що освітлює всю цю структуру, виробляє області з нерівномірним розподілом електричних полів, які взаємодіють з електронами і прискорюють їх, підвищуючи їх енергію.
Перетворення такого прискорювача-на-чіпі в закінчений настільний прискорювач потребує розробки більш компактного методу отримання розігнаних до швидкості світла електронів, які подаються в канал другого ступеня прискорювача. Таке рішення вже є в розпорядженні вчених, а авторами цієї розробки є група вчених з Інституту квантової оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics) в Німеччині, яким з допомогою світла лазера вдалося реалізувати низькоенергетичний розгін електронів майже до швидкості світла.