Penyelidik Stanford semakin hampir membina pemecut elektron kecil berdasarkan "pemecut pada cip" teknologi dengan potensi aplikasi yang luas dalam mengkaji fizik serta kegunaan perubatan dan industri.
Para penyelidik telah menunjukkan bahawa pemecut laser dielektrik silikon, atau DLA, kini boleh mempercepatkan dan mengehadkan elektron, menghasilkan pancaran fokus elektron bertenaga tinggi. "Sekiranya elektron adalah kereta mikroskopik, ia seolah-olah, buat pertama kalinya, kami mengemudi dan kami berada di atas gas," kata Payton Broaddus, Ph.D. '23 dalam kejuruteraan elektrik dan pengarang utama pada kertas yang diterbitkan dalam Kajian Surat fizikal pada 23 Feb yang memperincikan kejayaan itu.
Mengambil pemecut dari batu ke mikron
Pemecut menghasilkan pancaran zarah bertenaga tinggi yang membolehkan ahli fizik mengkaji sifat bahan, menghasilkan probe terfokus untuk aplikasi perubatan, dan mengenal pasti blok binaan asas yang membentuk semua jirim di alam semesta. Beberapa pemecut zarah tenaga tinggi terawal, dibangunkan pada tahun 1930-an, boleh dimuatkan di atas meja.
Tetapi tenaga zarah yang lebih tinggi diperlukan untuk mengkaji fizik yang lebih maju, jadi saintis perlu membina sistem yang lebih besar. (Dikuasakan pada tahun 1966, terowong pemecut linear asal di SLAC National Accelerator Laboratory di kampus Stanford adalah hampir 2 batu panjangnya.)
Walaupun sistem ini telah membuat banyak penemuan dalam fizik zarah mungkin, Broaddus bermotivasi untuk membina pemecut linear kecil yang akhirnya boleh menyaingi keupayaan mesin lebih daripada seribu kali ganda saiznya, pada sebahagian kecil daripada kos.
Ini juga akan membolehkan aplikasi baharu dalam bidang perubatan, seperti dapat melampirkan peranti ini pada probe kecil dan menembak dengan tepat pancaran elektron pada tumor. "Terdapat keupayaan untuk menggantikan sepenuhnya setiap pemecut zarah lain dengan sesuatu yang lebih murah dan lebih kecil," katanya.
Terima kasih kepada kemajuan dalam fabrikasi dan laser skala nano, visi ini semakin mungkin, kata Olav Solgaard, pengarah Makmal Edward L. Ginzton dan Profesor Robert L. dan Audrey S. Hancock di Sekolah Kejuruteraan dan pengarang kanan mengenai kertas.
Pemecut frekuensi radio tradisional terdiri daripada rongga kuprum yang dipam dengan gelombang radio, yang memberikan zarah rangsangan tenaga. Denyutan ini boleh memanaskan logam, jadi rongga perlu beroperasi pada kadar tenaga dan nadi yang lebih rendah untuk menghilangkan haba dan mengelakkan lebur.
Tetapi struktur kaca dan silikon boleh mengendalikan denyutan tenaga yang jauh lebih tinggi daripada laser tanpa dipanaskan, jadi ia boleh menjadi lebih berkuasa sementara juga menjadi lebih kecil. Kira-kira 10 tahun yang lalu, penyelidik Stanford mula bereksperimen dengan struktur saiz nano yang diperbuat daripada bahan-bahan ini.
Pada tahun 2013, pasukan yang diketuai oleh pengarang bersama kertas Robert Byer, William R. Kenan, Jr. Profesor, Emeritus, menunjukkan bahawa pemecut kaca kecil dengan cahaya inframerah berdenyut telah berjaya mempercepatkan elektron. Keputusan ini membawa kepada projek itu diterima pakai oleh Yayasan Gordon dan Betty Moore di bawah kerjasama antarabangsa Accelerator on a Chip (ACHIP) untuk menghasilkan pemecut mega-elektron-volt bersaiz kotak kasut.
Tetapi "pemecut pada cip" pertama ini masih mempunyai beberapa masalah untuk diselesaikan. Seperti yang dikatakan oleh Broaddus, elektron di dalamnya seperti kereta di jalan sempit tanpa stereng. Mereka boleh memecut dengan sangat cepat tetapi sama mudahnya merempuh dinding.
Elektron pemanduan dengan laser
Kini, pasukan penyelidik Stanford ini telah berjaya menunjukkan bahawa mereka juga boleh mengemudi elektron pada skala nano. Untuk melakukan ini, mereka membina struktur silikon dengan saluran sub-mikron yang diletakkan dalam sistem vakum. Mereka menyuntik elektron ke satu hujung dan menerangi struktur dari kedua-dua belah dengan nadi laser berbentuk yang menyampaikan tendangan tenaga kinetik. Secara berkala, medan laser bertukar antara sifat memfokus dan menyahfokus, yang menggabungkan elektron bersama-sama, menghalangnya daripada melencong dari landasan.
Secara keseluruhannya, rantaian pecutan, penyahfokusan dan pemfokusan ini bertindak ke atas elektron pada jarak hampir satu milimeter. Ia mungkin tidak kedengaran jauh, tetapi zarah-zarah bercas ini mendapat pukulan yang cukup hebat, memperoleh 23.7 kilo-elektron-volt tenaga, kira-kira 25% lebih besar daripada tenaga permulaannya. Kadar pecutan yang dapat dicapai oleh pasukan dalam prototaip pemecut kecil mereka adalah setanding dengan pemecut tembaga konvensional, dan Broaddus menambah bahawa kadar pecutan yang lebih tinggi adalah mungkin.
Walaupun ia merupakan satu langkah ke hadapan yang penting, banyak lagi yang perlu dilakukan sebelum pemecut kecil ini boleh digunakan dalam industri, perubatan dan penyelidikan. Setakat ini, keupayaan pasukan untuk mengemudi elektron terhad kepada dua dimensi; kurungan elektron tiga dimensi akan diperlukan untuk membolehkan pemecut menjadi cukup lama untuk keuntungan tenaga yang lebih besar berlaku.
Perlumbaan geganti elektron
Kumpulan penyelidik saudara perempuan di Universiti Friedrich Alexander (FAU) di Erlangen, Jerman, baru-baru ini menunjukkan peranti serupa dengan laser tunggal dan bermula pada tenaga permulaan yang jauh lebih rendah. Ia dan peranti Stanford akhirnya akan menjadi sebahagian daripada sejenis perlumbaan geganti elektron, kata Broaddus.
Berganti-ganti masa hadapan ini akan mempunyai tiga rakan sepasukan: Peranti FAU akan mengambil elektron tenaga rendah dan memberi mereka sepakan awal, dan kemudian mereka boleh dimasukkan ke dalam peranti yang serupa dengan yang sedang dibangunkan Broaddus. Langkah terakhir untuk elektron ialah pemecut yang diperbuat daripada kaca, seperti yang dibangunkan oleh Byer. Kaca boleh menahan pukulan yang lebih hebat oleh laser daripada silikon, membolehkan pemecut terus memberi tenaga dan menolak elektron ke arah kelajuan cahaya.
Akhirnya, Solgaard percaya pemecut sekecil itu akan berguna dalam fizik bertenaga tinggi, meneroka perkara asas yang membentuk alam semesta seperti yang dilakukan oleh rakan sejawatannya yang lebih besar. "Kami mempunyai perjalanan yang sangat, sangat jauh untuk pergi," katanya. Tetapi dia masih optimis, sambil menambah, "kami telah mengambil beberapa langkah pertama."