粒子加速器的大小不一，有的可以裝在實驗室里，有的則需要占據幾公里甚至幾十公里的空間。然而，一項新的研究發現，現在科學家們正在更仔細地研究芯片大小的電子加速器。該技術的近期潛在應用包括用于精準治療，替代那些更有破壞性的放療，這種放療可以殺死癌細胞，以及新型激光和光源。

粒子加速器通常推動金屬管或金屬環內的粒子。它們加速粒子的速率受到金屬表面所能承受的峰值場的限制。傳統加速器的尺寸從醫學應用的幾米到基礎研究的幾公里不等。他們使用的電場通常在每米數百萬伏的規模上。

相比之下，電絕緣介電材料（導電性不好但能很好地支持靜電場的材料）可以承受數千倍強的光場。這使得科學家們開始研究制造依賴激光投擲粒子的介電加速器。這種設備可能會導致“芯片上的加速器”比傳統機器小很多倍，也便宜很多倍。

該研究的資深作者、德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的物理學家Peter Hommelhoff說：“這種想法幾乎和激光一樣古老。有時候，研究需要時間，我們發現，實現某些東西比拋出想法要求更高。”

在這項新的研究中，物理學家制造了一個225納米寬、0.5毫米長的微小通道。電子束進入通道的一端并從另一端射出。

研究人員在通道頂部照射250飛秒長的紅外激光脈沖，以幫助加速電子向下移動。在通道內部，兩排高達733根的硅柱，每根2微米高，與這些激光脈沖相互作用，產生加速力。

電子以28400電子伏特的能量進入加速器，以大約三分之一的光速行進。他們以40700電子伏特的能量離開它，能量增加了43%。

這種新型粒子加速器可以使用標準的潔凈室技術制造，如電子束光刻。Hommelhoff說：“這就是為什么我們認為我們的結果代表著向前邁出了一大步。每個人都可以從中著手設計有用的機器。”

粒子加速器不僅推動粒子，而且限制粒子，最大限度地減少粒子損失。先前的研究發現，帶電粒子束不可能同時聚焦在所有三維空間。因此，科學家們設計了他們的加速器結構，以改變他們聚焦電子束的方向，從而在所有三個維度上產生約束的凈結果。

盡管如此，研究人員預計這種限制策略在相對較長的距離內不會奏效。

Hommelhoff說：“我們曾希望0.1和0.2毫米長的加速器結構能起作用，在我們看到它們起作用后，我們就繼續嘗試我們制造的更長的加速器結構。看到0.3、0.4甚至0.5毫米長的結構也能工作，真是太棒了。”

Hommelhoff將他們的成功歸功于制造質量，幾乎去除了每一塊灰塵或任何其他可能殺死電子束的障礙。

Hommelhoff說：“我們的幾位同事曾告訴我們，這永遠不會奏效，因為所需的制造精度水平可能太高，但幸運的是，事實并非如此。其他人說這永遠不會奏效或有意義 —— 我們將其視為一種動力。”

這些納米光子電子加速器的應用取決于它們所能達到的能量。Hommelhoff說，高達300000電子伏特的電子是電子顯微鏡的典型代表。為了治療皮膚癌癥，需要1000萬個電子伏特電子。盡管目前此類醫療應用需要一個1米寬的加速器，以及額外的大型、重型和昂貴的部件來幫助驅動加速器，但該研究的主要作者、德國紐倫堡埃爾蘭根大學的物理學家Tomá? Chlouba補充道：“原則上，我們可以同時去掉這兩個部件，只需要一個大約1厘米的芯片，再加上幾厘米的電子源。”

同步加速器光源、自由電子激光器和尋找輕質暗物質等應用都伴隨著數十億電子伏特的電子。Hommelhoff說，有了萬億電子伏特的電子，高能對撞機就成為可能。

Hommelhoff指出，他們的結構相對難以加速相對較慢的電子，比如他們實驗的大約30000電子伏特的電子。他說：“當電子接近光速時，這些結構會變得更有效率，這意味著是當它們的能量接近100萬電子伏特時。”

科學家們指出，在最初的概念驗證結構之外，還有很多方法可以改進他們的設備。他們現在的目標是用更大的加速度和更高的電子電流進行實驗，以幫助實現應用，并通過制造許多相鄰的加速器通道來提高輸出，這些通道都可以由相同的激光脈沖驅動。

此外，盡管這項新研究實驗了由硅制成的結構，因為使用硅相對容易，但“硅并不是一種真正的高損傷閾值材料，” Hommelhoff如此表示。他說，由玻璃或其他材料制成的結構可能會產生更強的激光脈沖，從而產生更強大的加速度。

Hommelhoff說，研究人員有興趣建造一個小型加速器，“也許首先考慮到皮膚癌癥治療應用。這當然也是我們應該很快會和一家初創公司共同做的事情。”

審核編輯：彭菁