世界最小粒子加速器問世,將電子移動速度增至每秒 10 萬公里

作者 | 發布日期 2023 年 10 月 23 日 12:20 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 自然科學 line share follow us in feedly line share
世界最小粒子加速器問世,將電子移動速度增至每秒 10 萬公里


未來某天,一個強大微型粒子加速器可能裝在你的口袋裡。物理學家首次建造出第一台奈米光子電子加速器,既可加速電子,又能將它們限制在可控光束中而非隨意噴射,這是微型加速器更廣泛應用的關鍵一步。

當人們聽到「粒子加速器」,多數反應都是歐洲核子研究組織的大型強子對撞機(LHC):一條長約 27 公里的環形隧道,讓來自世界各地的研究人員鑽研各種基本粒子性質。

不過日常生活其實也會遇到粒子加速器,比如醫學影像拍攝、腫瘤放射治療設備等,這些設備體積大,性能還有改善空間且價格昂貴。

為了改進、縮小現有設備尺寸,全球物理學家正在研究介電雷射加速器,也稱為奈米光子加速器,若粒子加速設備能小型化,代表我們在一張桌子就能製造高能電子,將替醫學與科學開闢全新可能性。

而德國埃爾朗根-紐倫堡大學(FAU)物理學家 Peter Hommelhoff 團隊最近就帶來創舉,成功展示全球第一個奈米級光子電子加速器,長度僅 0.5 毫米、寬度僅 225 奈米。

電子引導 + 加速 = 粒子加速器

2 年多前,團隊首先取得一個重大突破:利用交替相位聚焦(alternating phase focusing,APF)方法控制真空通道內電子遠距流動,這是建造粒子加速器第一步,只要加速就可讓粒子獲得大量能量。

再來,研究人員用矽製作數千個 2 微米高的「柱子」,排列成 2 條平行線,每條長 0.2 毫米,看起來就像微型摩天大樓,接著將超短雷射脈衝從上方照射這條柱狀「跑道」,同時從側面注入電子,隨著雷射發出的光與柱子相互作用產生電磁場、為通過的電子提供巨大能量,最終電子聚集成狹窄光束,成功以每秒超過十萬公里的速度加速穿過結構。

這對一般人來說聽起來不是什麼大事,但對加速器領域來說是個巨大成就,因為科學家在一個超小加速器上獲得 12keV 能量,或者說能量增益 43%。(雖然與大型強子對撞機相比仍是小巫見大巫)

不過若想達到醫學應用程度,能量增益需增加約 100 倍,因此團隊下一步將繼續嘗試擴展結構,或放置多個彼此相鄰的通道以產生更高能量。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:埃爾朗根-紐倫堡大學)

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