Il Large Hadron Collider al CERN in Svizzera, il più grande acceleratore del mondo, ha una circonferenza di circa 26 chilometri. Ricercatori della Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Germania, stanno tentando di andare all'altro estremo costruendo l'acceleratore più piccolo del mondo, uno che si adatti a un microchip. Il team di ricerca ha ora compiuto un altro passo verso il raggiungimento di questa ambizione.

L'idea fondamentale è consentire agli scienziati di utilizzare i raggi laser per accelerare gli elettroni. Ciò che sembra ingannevolmente semplice in teoria solleva tutta una serie di sfide in pratica, estendendosi a vari campi della fisica. Per esempio, gli scienziati devono essere in grado di controllare l'oscillazione della luce e il movimento degli elettroni con grande precisione per garantire che si incontrino al momento giusto.

Un modo per immaginarlo è immaginare una nave su un mare in tempesta; per risalire in sicurezza un'onda e scendere dall'altra parte, il timoniere deve guardare l'onda in arrivo e giudicare quando incontrerà la nave. È altrettanto cruciale per il team di scienziati della FAU accertare quando e dove la cresta massima di un'onda luminosa colpirà un pacchetto di elettroni in modo che possano influenzare il risultato in un livello altamente specifico. Ciò significa che devono consentire alla luce e agli elettroni di coincidere entro "attosecondi", ovvero, un miliardesimo di miliardesimo di secondo.

In un primo emozionante, questo è esattamente ciò che ha ottenuto il gruppo di ricerca guidato dal Dr. Peter Hommelhoff. Il team ha sviluppato una nuova tecnica che prevede l'intersezione di due raggi laser che oscillano a frequenze diverse per generare un campo ottico le cui proprietà i ricercatori possono influenzare in modo estremamente preciso. La proprietà chiave di questo campo ottico è che mantiene il contatto con gli elettroni, muoversi efficacemente con loro - un'onda viaggiante - in modo che gli elettroni possano percepire continuamente, o 'navigare, ' il campo ottico. In questo modo, il campo ottico trasmette le sue proprietà esattamente alle particelle.

Questo processo non solo fa sì che le particelle riflettano con precisione la struttura del campo, li accelera anche a un livello sorprendentemente alto. Questo effetto è cruciale per l'acceleratore di particelle in miniatura, in quanto si riferisce a quanta energia può essere trasferita agli elettroni e a quale distanza. Il gradiente di accelerazione, che indica il massimo guadagno di energia degli elettroni misurato rispetto alla distanza percorsa, raggiunge il valore elevatissimo di 2,2 giga-elettronvolt per metro, molto superiore a quello raggiunto dagli acceleratori convenzionali. Però, la distanza di accelerazione di soli 0,01 millimetri attualmente a disposizione del team di ricerca di Erlangen non è sufficiente per generare l'energia necessaria per le applicazioni pratiche. "Nonostante questo, per acceleratori di particelle in medicina, ci servirebbe solo una piccola lunghezza di accelerazione inferiore a un millimetro, " spiega il dottor Martin Kozák, che ha effettuato l'esperimento di laboratorio.

Il responsabile del progetto, il prof. Dr. Peter Hommelhoff della FAU, considera la miniaturizzazione degli acceleratori una rivoluzione tecnica analoga alla miniaturizzazione dei computer. "Si spera che questo approccio ci consentirà di rendere questa tecnica innovativa di accelerazione delle particelle utilizzabile in una serie di aree di ricerca e campi di applicazione come la scienza dei materiali, biologia e medicina, un esempio potrebbero essere le terapie con particelle per i malati di cancro".