Gli ingegneri elettrici del gruppo di fisica degli acceleratori della TU Darmstadt hanno sviluppato un progetto per un acceleratore di elettroni azionato da laser così piccolo da poter essere prodotto su un chip di silicio. Sarebbe poco costoso e con più applicazioni. Il design, che è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica , è ora in fase di realizzazione nell'ambito di una collaborazione internazionale.

Gli acceleratori di particelle sono generalmente grandi e costosi, ma questo cambierà presto se i ricercatori faranno a modo loro. Il programma internazionale Accelerator on a Chip (AChIP), finanziato dalla Gordon and Betty Moore Foundation negli Stati Uniti, mira a creare un acceleratore di elettroni su un chip di silicio. L'idea fondamentale è quella di sostituire le parti dell'acceleratore in metallo con vetro o silicio, e utilizzare un laser invece di un generatore di microonde come fonte di energia. A causa della maggiore capacità di carico del campo elettrico del vetro, la velocità di accelerazione può essere aumentata e quindi la stessa quantità di energia può essere trasmessa alle particelle in uno spazio più breve, rendendo l'acceleratore più corto di un fattore di circa 10 rispetto agli acceleratori tradizionali che forniscono la stessa energia.

Una delle sfide qui è che il canale del vuoto per gli elettroni su un chip deve essere molto piccolo, che richiede che il fascio di elettroni sia estremamente focalizzato. I canali di focalizzazione magnetica utilizzati negli acceleratori convenzionali sono troppo deboli per questo. Ciò significa che deve essere sviluppato un metodo di messa a fuoco completamente nuovo se l'acceleratore su un chip deve diventare realtà.

Come parte dell'area del profilo della scienza della materia e delle radiazioni di TU Darmstadt, il gruppo AChIP in fisica degli acceleratori (Facoltà di ingegneria elettrica e tecnologia dell'informazione presso TU Darmstadt), guidato dal giovane scienziato Dr. Uwe Niedermayer, ha recentemente proposto una soluzione decisiva che prevede l'utilizzo degli stessi campi laser per focalizzare gli elettroni in un canale largo solo 420 nanometri. Il concetto si basa su cambiamenti bruschi della fase degli elettroni rispetto al laser, con conseguente messa a fuoco e defocalizzazione alternata nelle due direzioni nel piano della superficie del chip. Questo crea stabilità in entrambe le direzioni. Il concetto può essere paragonato a una palla su una sella:la palla cadrà, indipendentemente dalla direzione di inclinazione della sella. Però, girare la sella continuamente significa che la palla rimarrà stabile sulla sella. Gli elettroni nel canale sul chip fanno lo stesso.

Perpendicolare alla superficie del chip, una messa a fuoco più debole è sufficiente, e può essere utilizzato un singolo magnete quadrupolo che racchiude l'intero chip. Questo concetto è simile a quello di un acceleratore lineare convenzionale. Però, per un acceleratore su un chip, la dinamica degli elettroni è stata modificata per creare un design bidimensionale che può essere realizzato utilizzando tecniche litografiche dell'industria dei semiconduttori.

Niedermayer è attualmente visiting scientist presso la Stanford University; l'università americana sta guidando il programma AChIP insieme all'Università di Erlangen in Germania. A Stanford, sta collaborando con altri scienziati dell'AChIP con l'obiettivo di creare un acceleratore su un chip in una camera sperimentale delle dimensioni di una scatola da scarpe. Un sistema disponibile in commercio, adattato per mezzo di complicate ottiche non lineari, viene utilizzato come sorgente laser. L'obiettivo del programma AChIP, che ha finanziamenti fino al 2020, consiste nel produrre elettroni con un megaelettronvolt di energia dal chip. Questo è approssimativamente uguale alla tensione elettrica di un milione di batterie. Un ulteriore obiettivo è quello di creare ultracorti ( <10 ^-15 secondi) impulsi di elettroni, come richiesto dal progetto di un acceleratore scalabile su un chip sviluppato a Darmstadt.

Applicazioni nell'industria e nella medicina

Le possibili applicazioni di un acceleratore come questo sarebbero nell'industria e nella medicina. Un importante obiettivo a lungo termine è creare una sorgente di raggi X compatta e coerente per la caratterizzazione dei materiali. Un esempio di applicazione medica potrebbe essere un acceleratore-endoscopio che potrebbe essere utilizzato per irradiare con elettroni i tumori in profondità all'interno del corpo.

Un vantaggio particolare di questa nuova tecnologia di accelerazione è che i chip potrebbero essere prodotti in grandi quantità a basso costo, il che significherebbe che l'acceleratore sarebbe alla portata dell'uomo della strada e ogni università potrebbe permettersi il proprio laboratorio di accelerazione. Ulteriori opportunità includerebbero l'uso di sorgenti di raggi X coerenti poco costose nei processi fotolitografici nell'industria dei semiconduttori, che renderebbe possibile una riduzione delle dimensioni dei transistor nei processori dei computer, insieme ad un maggior grado di densità di integrazione.