Su una collina sopra la Stanford University, lo SLAC National Accelerator Laboratory gestisce uno strumento scientifico lungo quasi 2 miglia. In questo gigantesco acceleratore, un flusso di elettroni scorre attraverso un tubo del vuoto, mentre scoppi di radiazioni a microonde spingono le particelle sempre più velocemente in avanti finché la loro velocità non si avvicina alla velocità della luce, creando un potente raggio che gli scienziati di tutto il mondo utilizzano per sondare le strutture atomiche e molecolari di materiali inorganici e biologici.

Ora, per la prima volta, gli scienziati di Stanford e SLAC hanno creato un chip di silicio in grado di accelerare gli elettroni, anche se a una frazione della velocità di quell'enorme strumento, utilizzando un laser a infrarossi per fornire, in meno di un capello di larghezza, il tipo di aumento di energia che richiede alle microonde molti piedi.

Scrivendo nel numero del 3 gennaio di Scienza , un team guidato dall'ingegnere elettrico Jelena Vuckovic ha spiegato come hanno ricavato un canale su scala nanometrica dal silicio, lo sigillava nel vuoto e inviava elettroni attraverso questa cavità mentre gli impulsi di luce infrarossa, a cui il silicio è trasparente quanto il vetro lo è alla luce visibile, venivano trasmessi dalle pareti del canale per accelerare gli elettroni.

L'acceleratore su chip dimostrato in Scienza è solo un prototipo, ma Vuckovic ha affermato che le sue tecniche di progettazione e fabbricazione possono essere ampliate per fornire fasci di particelle sufficientemente accelerati per eseguire esperimenti all'avanguardia in chimica, scienza dei materiali e scoperte biologiche che non richiedono la potenza di un enorme acceleratore.

"I più grandi acceleratori sono come potenti telescopi. Ce ne sono solo pochi al mondo e gli scienziati devono venire in posti come lo SLAC per usarli, "Vuckovic ha detto. "Vogliamo miniaturizzare la tecnologia degli acceleratori in un modo che li renda uno strumento di ricerca più accessibile".

I membri del team paragonano il loro approccio al modo in cui l'informatica si è evoluta dal mainframe al PC più piccolo ma comunque utile. La tecnologia Accelerator-on-a-chip potrebbe anche portare a nuove terapie con radiazioni contro il cancro, disse il fisico Robert Byer, un co-autore del Scienza carta. Ancora, è una questione di dimensioni. Oggi, macchine mediche a raggi X riempiono una stanza e rilasciano un raggio di radiazioni difficile da mettere a fuoco sui tumori, richiedere ai pazienti di indossare protezioni in piombo per ridurre al minimo i danni collaterali.

"In questo articolo iniziamo a mostrare come potrebbe essere possibile fornire radiazioni a fascio di elettroni direttamente a un tumore, lasciando inalterato il tessuto sano, " ha detto Byer, che guida l'Accelerator on a Chip International Program, o ACHIP, uno sforzo più ampio di cui questa ricerca attuale fa parte.

Disegno inverso

Nella loro carta, Vuckovic e lo studente laureato Neil Sapra, il primo autore, spiegare come il team ha costruito un chip che emette impulsi di luce infrarossa attraverso il silicio per colpire gli elettroni al momento giusto, e solo l'angolo giusto, per farli avanzare un po' più velocemente di prima.

Per realizzare questo, hanno capovolto il processo di progettazione. In un acceleratore tradizionale, come quello dello SLAC, gli ingegneri generalmente redigono un progetto di base, quindi eseguire simulazioni per organizzare fisicamente le raffiche di microonde per fornire la massima accelerazione possibile. Ma le microonde misurano 4 pollici dal picco al trogolo, mentre la luce infrarossa ha una lunghezza d'onda un decimo della larghezza di un capello umano. Questa differenza spiega perché la luce infrarossa può accelerare gli elettroni a distanze così brevi rispetto alle microonde. Ma questo significa anche che le caratteristiche fisiche del chip devono essere 100, 000 volte più piccole delle strutture in rame di un acceleratore tradizionale. Ciò richiede un nuovo approccio all'ingegneria basato su fotonica e litografia integrate nel silicio.

Il team di Vuckovic ha risolto il problema utilizzando algoritmi di progettazione inversa sviluppati dal suo laboratorio. Questi algoritmi hanno permesso ai ricercatori di lavorare a ritroso, specificando quanta energia luminosa volevano che il chip fornisse, e incaricare il software di suggerire come costruire le giuste strutture in nanoscala necessarie per portare i fotoni in contatto corretto con il flusso di elettroni.

"Qualche volta, i progetti inversi possono produrre soluzioni a cui un ingegnere umano potrebbe non aver pensato, " disse R. Joel England, uno scienziato dello staff SLAC e coautore sul Scienza carta.

L'algoritmo di progettazione ha creato un layout del chip che sembra quasi ultraterreno. Immaginate mesa su scala nanometrica, separato da un canale, inciso su silicone. Gli elettroni che fluiscono attraverso il canale eseguono un ganlet di fili di silicio, frugando attraverso la parete del canyon in punti strategici. Ogni volta che il laser pulsa, cosa che fa 100, 000 volte al secondo:un'esplosione di fotoni colpisce un gruppo di elettroni, accelerandoli in avanti. Tutto questo avviene in meno di un capello, sulla superficie di un chip di silicio sigillato sottovuoto, realizzato dai membri del team di Stanford.

I ricercatori vogliono accelerare gli elettroni al 94 percento della velocità della luce, o 1 milione di elettronvolt (1MeV), per creare un flusso di particelle sufficientemente potente per scopi di ricerca o medici. Questo prototipo di chip fornisce solo un singolo stadio di accelerazione, e il flusso di elettroni dovrebbe passare per circa 1, 000 di questi stadi per raggiungere 1MeV. Ma non è così scoraggiante come può sembrare, ha detto Vuckovic, perché questo prototipo di acceleratore su chip è un circuito completamente integrato. Ciò significa che tutte le funzioni critiche necessarie per creare l'accelerazione sono integrate nel chip, e aumentare le sue capacità dovrebbe essere ragionevolmente semplice.

I ricercatori prevedono di impacchettare un migliaio di stadi di accelerazione in circa un pollice di spazio del chip entro la fine del 2020 per raggiungere il loro obiettivo di 1 MeV. Anche se sarebbe un traguardo importante, un tale dispositivo sarebbe ancora impallidito di potenza insieme alle capacità dell'acceleratore di ricerca SLAC, che può generare livelli di energia 30, 000 volte maggiore di 1MeV. Ma Byer crede che, proprio come i transistor alla fine hanno sostituito i tubi a vuoto nell'elettronica, i dispositivi basati sulla luce un giorno metteranno alla prova le capacità degli acceleratori a microonde.

Nel frattempo, in previsione dello sviluppo di un acceleratore da 1MeV su un chip, ingegnere elettrico Olav Solgaard, un coautore sulla carta, ha già iniziato a lavorare su una possibile applicazione per combattere il cancro. Oggi, gli elettroni altamente energizzati non vengono utilizzati per la radioterapia perché brucerebbero la pelle. Solgaard sta lavorando a un modo per incanalare gli elettroni ad alta energia da un acceleratore delle dimensioni di un chip attraverso un tubo a vuoto simile a un catetere che potrebbe essere inserito sotto la pelle, proprio accanto a un tumore, utilizzando il fascio di particelle per somministrare la radioterapia chirurgicamente.

"Possiamo trarre benefici medici dalla miniaturizzazione della tecnologia degli acceleratori oltre alle applicazioni di ricerca, " ha detto Solgaard.