Прискорювач частинок на кремнієвому чипі

У повномасштабному прискорювачі частинок електрони рухаються по кількакілометровій траєкторії, вздовж якої мікрохвилі розганяють їх до швидкості, близької до швидкості світла. Такий високоенергетичний потік електронів, який можна отримати, наприклад, у Національній прискорювальній лабораторії SLAC в Каліфорнії, дозволяє проводити низку високоточних експериментів, зокрема отримувати надзвичайно деталізовані зображення й досліджувати будову молекул. Але такі прискорювачі дуже дорогі, а вчені, які хочуть провести на них свої експерименти, повинні ставати в довгу чергу й подорожувати часом на інший континент. На щастя, команда дослідників зі Стенфордського університету розробила прискорювач частинок, який поміщається на невеликому кремнієвому мікрочипі і який можна масштабувати, щоб отримати таку ж енергію, як у SLAC.

Коли електрони рухаються крізь цей канал, вигравіюваний у кремнієвому чипі, світло від лазера (показане жовтим та фіолетовим кольорами) змушує їх прискорюватись до високих енергій.

“Ідеї прискорювати електрони за допомогою лазера стільки ж років, скільки самому лазеру, і її висловили ще у 1960-ті”, — каже Роберт Баєр, науковець зі Стенфордського університету, який працює над цим концептом з 1974 року. Лазери продукують електромагнітні хвилі набагато меншої довжини, а отже, більшої енергії. Це означає, що вони можуть прискорювати електрони в набагато меншому просторі, порівняно з повномасштабними прискорювачами частинок на основі мікрохвиль. “Розмір цих пристроїв і справді може бути неймовірно малим”, — каже Баєр. У прискорювачі, який розробила команда зі Стенфорда, наприклад, електрони рухаються крізь канал завдовжки всього лишень 0,003 міліметра, що наполовину менше від довжини клітини крові.

Хоча лазерні прискорювачі частинок виграють у просторі, вони, однак, потребують набагато більшої точності вирівнювання електронів всередині прискорювального каналу, щоб світло штовхало їх лише в правильному напрямку і саме з такою енергією, яка потрібна. “Вам потрібно не лише поєднати світло з електронами у цих мікроскопічних структурах, але й генерувати самі електрони та змусити їх рухатись крізь канал”, — додає Баєр. У 2013 році дві дослідницькі команди зі Сполучених Штатів та Німеччини незалежно одна від одної змогли прискорити електрони за допомогою лазера. Утім, в цих експериментах застосовували окремі генератори електронів, які наявні технології поки що не дозволяють виготовляти промисловим способом.

Лазерний прискорювач у кремнієвому кристалі, однак, набагато легше масштабувати, а ключові компоненти системи можна розташувати на одному чипі. За словами дослідниці з команди Баєра Єлени Вучковіч, “вам насамперед потрібно створити таку структуру, яка поведе лазерний промінь у правильному напрямку, щоб електрони могли постійно прискорюватись”. Її студент Ніл Сапра зумів визначити її за допомогою комп’ютерної симуляції руху електромагнітної хвилі крізь різні геометричні форми. Як тільки дослідники виявили таку геометрію, вони вигравіювали її на кремнієвій пластині.

Коли на цю пластину спрямувати лазерний промінь, світло від лазера відштовхується від спеціальної ґратки, званої “вхідним з’єднувачем” (Input coupler), яка спрямовує його в потрібному напрямку. Після цього електромагнітна хвиля рухається вздовж визначеної комп’ютером геометричної структури всередині чипа, яка фокусує її у такий спосіб, аби вона могла надавати електронам енергію вздовж усієї траєкторії їхнього руху. Стаття з описом пристрою вийшла у четвер у Science.

“Це дуже багатообіцяльне дослідження, — каже Марк Палмер, науковець з Брукгейвенської національної лабораторії, який не брав участі в дослідженні. — Я думаю, що ці дослідники провели дуже кропітку роботу й визначили шляхи, якими наукова спільнота тепер зможе рухатися у напрямку робочих прототипів, які, я сподіваюсь, появляться вже в недалекому майбутньому”.

Команда зі Стенфорда виявила, що їхній чип зміг розігнати електрони до 915 еВ. Хоча це дуже мало, навіть за буденними мірками, частинки отримали цю енергію, пройшовши всього лишень 0,001 мм. Якщо б вони рухалися в такий спосіб хоча б метр, то прискорились б до 30 МеВ. Звісно, і ця величина не стоїть поруч зі SLAC, яка надає електронам десятки мільярдів електронвольтів, проте протестований пристрій можна багаторазово масштабувати, просто додавши багато таких доріжок всередині чипа.

“Ми продемонстрували лише елементарну ланку цієї технології. Лише на одній кремнієвій пластині ви можете вигравіювати тисячі таких ланок”, — каже Вучковіч. За її розрахунками, чип завдовжки всього у кілька сантиметрів зміг би розігнати електрони до кількох мільйонів електронвольт, або 94% швидкості світла. Цих величин достатньо, щоб дослідники з усього світу могли проводити експерименти, які сьогодні можливі лише в таких лабораторіях, як SLAC. Крім того, такі високоенергетичні електрони потенційно можна буде застосовувати у медицині для презиційного лікування ракових пухлин.

Вучковіч припускає, що її команда зможе отримати такі пристрої вже протягом року, а через п’ять вже зможе адаптувати їх для практичного використання. Палмер, однак, має стриманіші очікування й передбачає, що усе це займе не менше десяти років. Але загалом він дуже оптимістично оцінює потенціал цієї технології. “З її допомогою ви зможете отримати мініатюрні пристрої, які можна буде адаптувати до будь-яких умов замість того, щоб дослідники самі пристосовувались до великих і дорогих прискорювачів, які сьогодні існують у світі”, — резюмує він.