Elettroni di direzione e accelerazione su scala di microchip

I ricercatori di Stanford si stanno avvicinando alla costruzione di un minuscolo acceleratore di elettroni basato sulla tecnologia “acceleratore su chip” con ampie applicazioni potenziali nello studio della fisica e negli usi medici e industriali.

Illustrazione di un acceleratore grande quanto una scatola di scarpe. Una sorgente di elettroni e un raggruppatore/iniettore alimentano un DLA subrelativistico (il dispositivo descritto in questo articolo), che accelera gli elettroni fino a 1MeV in energia. Questi elettroni vengono ulteriormente accelerati dal DLA relativistico guidato dalla guida d’onda SiO2 e infine passano attraverso un ondulatore per produrre una radiazione coerente di elettroni liberi. Credito immagine: Fondazione Moore / Payton Broaddus

I ricercatori hanno dimostrato che un acceleratore laser dielettrico al silicio, o DLA, può ora accelerare e confinare gli elettroni, creando un fascio focalizzato di elettroni ad alta energia. “Se gli elettroni fossero automobili microscopiche, è come se, per la prima volta, stessimo sterzando e avessimo il piede sull’acceleratore”, ha affermato Payton Broaddus, PhD ’23 in ingegneria elettrica e autore principale di un articolo pubblicato il 23 febbraio descrivendo in dettaglio la svolta Lettere di revisione fisica.

Portare gli acceleratori dalle miglia ai micron

Gli acceleratori producono fasci di particelle ad alta energia che consentono ai fisici di studiare le proprietà dei materiali, produrre sonde mirate per applicazioni mediche e identificare gli elementi costitutivi elementari che compongono tutta la materia nell’universo. Alcuni dei primi acceleratori di particelle ad alta energia, sviluppati negli anni ’30, potevano stare su un tavolo. Ma per studiare la fisica più avanzata erano necessarie energie delle particelle più elevate, quindi gli scienziati dovevano costruire sistemi più grandi. (Attivato nel 1966, il tunnel dell’acceleratore lineare originale a Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC nel campus di Stanford è lungo quasi 2 miglia.)

Sebbene questi sistemi abbiano reso possibili numerose scoperte nella fisica delle particelle, Broaddus è motivato a costruire un minuscolo acceleratore lineare che potrebbe eventualmente rivaleggiare con le capacità di macchine più di mille volte più grandi, a una frazione del costo. Ciò consentirebbe anche nuove applicazioni in medicina, come la possibilità di collegare questo dispositivo a una piccola sonda e sparare con precisione un fascio di elettroni su un tumore. “C’è la possibilità di sostituire completamente ogni altro acceleratore di particelle con qualcosa di più economico e più piccolo”, ha affermato.

Grazie ai progressi nella fabbricazione su scala nanometrica e nei laser, questa visione è sempre più possibile, ha affermato Olav Solgaard, direttore dell’Edward L. Ginzton Laboratory e professore di Robert L. e Audrey S. Hancock presso la School of Engineering e autore senior dell’articolo. I tradizionali acceleratori a radiofrequenza sono costituiti da cavità di rame che vengono pompate con onde radio, che conferiscono alle particelle una spinta energetica. Questi impulsi possono riscaldare il metallo, quindi le cavità devono funzionare con energia e frequenze di impulso inferiori per dissipare il calore ed evitare la fusione.

Ma le strutture in vetro e silicio possono gestire impulsi di energia molto più elevata provenienti dai laser senza riscaldarsi, quindi possono essere molto più potenti pur essendo più piccole. Circa 10 anni fa, i ricercatori di Stanford hanno iniziato a sperimentare strutture di dimensioni nanometriche realizzate con questi materiali. Nel 2013, un team guidato dal coautore dell’articolo Robert Byeril professore emerito William R. Kenan, Jr., dimostrò che un minuscolo acceleratore di vetro con luce infrarossa pulsante aveva elettroni accelerati con successo. Questi risultati hanno portato all’adozione del progetto da parte della Fondazione Gordon e Betty Moore nell’ambito del Acceleratore su chip (ACHIP) collaborazione internazionale per produrre un acceleratore megaelettronvolt delle dimensioni di una scatola da scarpe.

Ma questo prima”acceleratore su un chip” aveva ancora alcuni nodi da risolvere. Come dice Broaddus, gli elettroni all’interno erano come automobili su una strada stretta senza volante. Potrebbero accelerare molto rapidamente ma altrettanto facilmente schiantarsi contro un muro.

Micrografia elettronica a scansione di un acceleratore laser dielettrico lungo mezzo millimetro attraverso il quale gli elettroni viaggiano e accelerano. Le celle etichettate come nere si focalizzano longitudinalmente e si focalizzano trasversalmente (LFTD), mentre le cellule bianche si focalizzano longitudinalmente e si focalizzano trasversalmente (LDTF), che mantiene gli elettroni sulla buona strada. Credito immagine: Broaddus, P., Egenolf, T., Black, DS, Murillo, M., Woodahl, C., Miao, Y., … Solgaard, O. (2024). Acceleratori laser dielettrici con focalizzazione a fase alternata subrelativistica. Fis. Rev. Lett., 132, 085001. doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001

Elettroni di pilotaggio con laser

Ora, questo team di ricercatori di Stanford ha dimostrato con successo che possono anche guidare gli elettroni su scala nanometrica. Per fare ciò, hanno costruito una struttura di silicio con un canale submicronico collocata in un sistema sotto vuoto. Hanno iniettato gli elettroni in un’estremità e hanno illuminato la struttura da entrambi i lati con un impulso laser sagomato che ha emesso colpi di energia cinetica. Periodicamente, i campi laser si alternavano tra le proprietà di focalizzazione e di defocalizzazione, che raggruppavano insieme gli elettroni, impedendo loro di deviare fuori traccia.

Complessivamente questa catena di accelerazione, defocalizzazione e focalizzazione agiva sugli elettroni per una distanza di quasi un millimetro. Potrebbe non sembrare lontano, ma queste particelle cariche hanno avuto un bel colpo, guadagnando 23,7 kiloelettronvolt di energia, circa il 25% in più rispetto alla loro energia iniziale. Il tasso di accelerazione che il team è stato in grado di ottenere nel loro prototipo di minuscolo acceleratore è paragonabile a quello dei convenzionali acceleratori in rame, e Broaddus aggiunge che sono possibili tassi di accelerazione molto più elevati.

Sebbene si tratti di un significativo passo avanti, c’è ancora molto da fare prima che questi piccoli acceleratori possano essere utilizzati nell’industria, nella medicina e nella ricerca. Finora, la capacità del team di guidare gli elettroni è stata limitata a due dimensioni; Sarà necessario il confinamento tridimensionale degli elettroni per consentire all’acceleratore di essere sufficientemente lungo da consentire maggiori guadagni di energia.

Gara a staffetta elettronica

Un gruppo di ricerca gemello presso l’Università Friedrich Alexander (FAU) di Erlangen, in Germania, recentemente ha dimostrato un dispositivo simile con un singolo laser e iniziando con un’energia iniziale molto più bassa. Questo e il dispositivo di Stanford alla fine faranno parte di una sorta di corsa a staffetta elettronica, ha affermato Broaddus.

Questo futuro relè avrebbe tre compagni di squadra: il dispositivo FAU prenderebbe elettroni a bassa energia e darebbe loro un calcio iniziale, quindi potrebbero essere immessi in un dispositivo simile a quello che Broaddus sta sviluppando. L’ultimo passo per gli elettroni sarebbe un acceleratore di vetro, come quello sviluppato da Byer. Il vetro può sopportare colpi ancora maggiori da parte dei laser rispetto al silicio, consentendo all’acceleratore di energizzarsi ulteriormente e spingere gli elettroni verso la velocità della luce.

Alla fine, Solgaard ritiene che un acceleratore così piccolo sarà utile nella fisica delle alte energie, esplorando la materia fondamentale che costituisce l’universo proprio come fanno le sue controparti più grandi. “Abbiamo una strada molto, molto lunga da percorrere”, ha detto. Ma è ancora ottimista e aggiunge: “abbiamo fatto i primi passi”.

Fonte: Università di Stanford