Ученые строят ускоритель частиц на крошечном кремниевом чипе

Впервые исследователи разрабатывают крошечный кремниевый чип, способный перемещать электроны на расстояние, меньшее, чем ширина человеческого волоса. Технология может ускорять частицы достаточно быстро, чтобы проводить передовые эксперименты в области материаловедения, химии и биологии.

Ускорители частиц - это гигантские машины, которые используют электромагнитные поля для приведения заряженных частиц в движение с чрезвычайно высокой скоростью и энергией. Эти высокоэнергетические частицы затем используются для исследования фундаментальной структуры материи, пространства и времени.

В настоящее время в мире действует более 30 000 ускорителей. Они используются в различных приложениях для научных исследований, медицины, прикладной физики и промышленной обработки.

Эти ускорители обычно представляют собой кольцевые туннели длиной в километры. Самым популярным примером является 27-километровый большой адронный коллайдер в Швейцарии.

Впервые группа исследователей из Национальной лаборатории ускорителей SLAC разработала крошечный кремниевый чип, способный перемещать электроны на расстояние, меньшее, чем ширина человеческого волоса. Обычному ускорителю требуется намного большее растояние, чтобы получить такую же энергию.

Как они это сделали?

Исследователи вырезали наноразмерный канал из кремниевого материала и зафиксировали его в вакууме. Они передавали электроны через полость, а инфракрасный свет через стенки канала, чтобы повысить скорость электронов.

Они могли излучать инфракрасные световые импульсы через кремний, который ударял электроны под прямым углом и в нужный момент, ускоряя их вперед немного быстрее, чем раньше.

Но обычные ускорители частиц используют микроволны, так почему же исследователи использовали инфракрасный свет в этом случае? Ну, кремний прозрачен для инфракрасного света, как стекло - для видимого света. Поэтому инфракрасные плюсы доставляют электронам больше энергии, чем микроволнам.

Это всего лишь прототип. Цель состоит в том, чтобы сделать его более доступным инструментом исследований путем миниатюризации технологии ускорителя.

Подобно тому, как вычислительные процессы перешли от огромных эвм к настольному ПК, ускорители частиц могли быть сжаты в небольшой кремниевый чип. Технология может ускорять частицы достаточно быстро, чтобы проводить передовые эксперименты в области материаловедения, химии и биологии.

В этом исследовании исследователи объяснили, как их подход может привести к новым методам лечения рака. Существующие большие рентгеновские аппараты доставляют электронно-лучевое излучение, которое трудно сфокусировать на опухолях. Поэтому пациенты должны носить защитные экраны, чтобы свести к минимуму сопутствующие повреждения. Новая технология может доставить луч излучения непосредственно в опухоль, не затрагивая здоровые ткани.

Что дальше?

Команда нацелена на ускорение электронов до 1 миллиона электронных вольт (1 МэВ), или 94% скорости света, чтобы эти частицы могли быть использованы для проведения научных исследований.

Кремниевый чип, разработанный в этом исследовании, представляет собой только одну стадию ускорения. Чтобы достичь 1 МэВ, электроны должны были пройти примерно тысячу стадий.

Поскольку микросхема спроектирована и изготовлена с использованием эффективных технологий, то для увеличения ее возможностей она должна быть достаточно простой. В настоящее время команда работает над интеграцией тысячи ступеней ускорения в дюйм пространства чипа.

Это было бы большой вехой, но эти чипы все равно были бы гораздо менее мощными, чем обычные ускорители частиц, которые могут производить энергии в 30000 раз выше, чем 1 МэВ.

Тем не менее исследователи полагают, что, подобно тому, как электронные транзисторы в конечном итоге заменили вакуумные трубки, инфракрасное оборудование в один прекрасный день обеспечит ту же производительность, что и микроволновые ускорители.