把大设施“搬”到小芯片上！科学家制造出微型粒子加速器

在斯坦福大学的一个山坡上，SLAC国家加速器实验室操作着一个将近2英里长的科学仪器。

在这个巨大的加速器,一连串的电子流过真空管道,微波辐射推动微粒更快地向前移动,直到速度接近光速。来自世界各地的科学家都会使用这种高速粒子束探测原子和分子结构。

近日，科学家们首次在斯坦福和SLAC实验室制造出了一个硅芯片，可以加速电子——尽管速度只是那个巨大加速器的一小部分——使用红外激光，在不到一根头发的宽度里增加需要几英尺微波来提升的能量。

研究结果发表在1月3日的《Science》期刊上。由电气工程师Jelena Vuckovic领导的团队详细阐述了他们的研究。

论文中展示的芯片上的加速器只是一个原型，但Vuckovic说，它的设计和制造技术可以扩展到提供足够加速的粒子束，以进行化学、材料科学和生物学领域的前沿实验，这些实验不需要大型加速器的能量。

“最大的加速器就像强大的望远镜，世界上只有几个，科学家必须到像SLAC这样的地方来使用它们。”Vuckovic说。

“我们希望将加速器技术小型化，使其成为更容易使用的研究工具。”

这篇科学论文的作者之一、物理学家罗伯特·拜尔(Robert Byer)说，芯片上的加速器技术也可能导致新的癌症放射疗法。

在他们的论文中，Vuckovic和研究生Neil Sapra(第一作者)解释了他们的团队是如何制造出一种芯片，这种芯片可以通过硅发射红外光脉冲，在恰当的时间、恰当的角度撞击电子，使电子前进的速度比以前快一点。

为了制造出这种与传统加速器不同的芯片，Vuckovic的团队使用她的实验室开发的反设计算法解决了这个问题。

这些算法允许研究人员逆向工作，具体说明他们希望芯片传递多少光能，并为软件设置任务，建议如何构建合适的纳米尺度结构，使光子与电子流进行适当的接触。

与此同时，该论文的作者之一、电气工程师奥拉夫·索尔加德(Olav Solgaard)已经开始研究一种可能的抗癌应用，他预计将在芯片上开发一台1MeV加速器。今天，高能量的电子不再用于放射治疗，因为它们会灼伤皮肤。索尔加德正在研究一种方法，通过一根导管状的真空管，将芯片大小的加速器中的高能电子导入皮肤下，就在肿瘤旁边，利用粒子束进行外科放射治疗。

索尔加德说:“除了研究应用外，我们还可以从加速器技术的小型化中获得医疗效益。”

原文出处：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200102143352.htm，Researchers build a particle accelerator that fits on a chip，作者：Tom Abate