I ricercatori di Stanford sono sempre più vicini alla costruzione di un minuscolo acceleratore di elettroni basato sulla tecnologia "acceleratore su chip" con ampie applicazioni potenziali nello studio della fisica e negli usi medici e industriali.
I ricercatori hanno dimostrato che un acceleratore laser dielettrico al silicio, o DLA, può ora accelerare e confinare gli elettroni, creando un fascio focalizzato di elettroni ad alta energia. "Se gli elettroni fossero automobili microscopiche, è come se, per la prima volta, stessimo sterzando e avessimo il piede sull'acceleratore", ha affermato Payton Broaddus, Ph.D. '23 in ingegneria elettrica e autore principale di un articolo pubblicato su Physical Review Letters il 23 febbraio descrivendo nel dettaglio la svolta.
Gli acceleratori producono fasci di particelle ad alta energia che consentono ai fisici di studiare le proprietà dei materiali, produrre sonde mirate per applicazioni mediche e identificare gli elementi costitutivi elementari che compongono tutta la materia nell'universo. Alcuni dei primi acceleratori di particelle ad alta energia, sviluppati negli anni '30, potevano stare su un tavolo.
Ma per studiare la fisica più avanzata erano necessarie energie delle particelle più elevate, quindi gli scienziati dovevano costruire sistemi più grandi. (Attivato nel 1966, il tunnel originale dell'acceleratore lineare presso lo SLAC National Accelerator Laboratory nel campus di Stanford è lungo quasi 2 miglia.)
Sebbene questi sistemi abbiano reso possibili numerose scoperte nel campo della fisica delle particelle, Broaddus è motivato a costruire un minuscolo acceleratore lineare che potrebbe eventualmente competere con le capacità di macchine più di mille volte più grandi, a una frazione del costo.
Ciò consentirebbe anche nuove applicazioni in medicina, come la possibilità di collegare questo dispositivo a una piccola sonda e sparare con precisione un fascio di elettroni su un tumore. "C'è la possibilità di sostituire completamente ogni altro acceleratore di particelle con qualcosa di più economico e più piccolo", ha affermato.
Grazie ai progressi nella fabbricazione su scala nanometrica e nei laser, questa visione è sempre più possibile, ha affermato Olav Solgaard, direttore del Laboratorio Edward L. Ginzton e professore di Robert L. e Audrey S. Hancock presso la School of Engineering e autore senior di il foglio.
I tradizionali acceleratori a radiofrequenza sono costituiti da cavità di rame che vengono pompate con onde radio, che conferiscono alle particelle una spinta energetica. Questi impulsi possono riscaldare il metallo, quindi le cavità devono funzionare a frequenze di energia e impulsi inferiori per dissipare il calore ed evitare la fusione.
Ma le strutture in vetro e silicio possono gestire impulsi di energia molto più elevati provenienti dai laser senza riscaldarsi, quindi possono essere molto più potenti pur essendo più piccole. Circa 10 anni fa, i ricercatori di Stanford hanno iniziato a sperimentare strutture di dimensioni nanometriche realizzate con questi materiali.
Nel 2013, un team guidato dal coautore dell’articolo Robert Byer, professore emerito di William R. Kenan, Jr., ha dimostrato che un minuscolo acceleratore di vetro con luce infrarossa pulsante aveva accelerato con successo gli elettroni. Questi risultati hanno portato all'adozione del progetto da parte della Fondazione Gordon e Betty Moore nell'ambito della collaborazione internazionale Accelerator on a Chip (ACHIP) per produrre un acceleratore mega-elettronvolt delle dimensioni di una scatola da scarpe.
Ma questo primo "acceleratore su chip" aveva ancora alcuni problemi da risolvere. Come dice Broaddus, gli elettroni all'interno erano come automobili su una strada stretta senza volante. Potrebbero accelerare molto rapidamente ma altrettanto facilmente schiantarsi contro un muro.
Ora, questo team di ricercatori di Stanford ha dimostrato con successo che possono anche guidare gli elettroni su scala nanometrica. Per fare ciò, hanno costruito una struttura di silicio con un canale submicronico collocata in un sistema sotto vuoto. Hanno iniettato gli elettroni in un'estremità e hanno illuminato la struttura da entrambi i lati con un impulso laser sagomato che ha emesso colpi di energia cinetica. Periodicamente, i campi laser passavano dalle proprietà di focalizzazione a quelle di sfocatura, raggruppando insieme gli elettroni, impedendo loro di deviare fuori traccia.
Complessivamente questa catena di accelerazione, defocalizzazione e focalizzazione agiva sugli elettroni per una distanza di quasi un millimetro. Potrebbe non sembrare lontano, ma queste particelle cariche hanno avuto un bel colpo, guadagnando 23,7 kiloelettronvolt di energia, circa il 25% in più rispetto alla loro energia iniziale. Il tasso di accelerazione che il team è riuscito a ottenere nel loro prototipo di minuscolo acceleratore è paragonabile a quello degli acceleratori in rame convenzionali e Broaddus aggiunge che sono possibili tassi di accelerazione molto più elevati.
Sebbene si tratti di un significativo passo avanti, c’è ancora molto da fare prima che questi piccoli acceleratori possano essere utilizzati nell’industria, nella medicina e nella ricerca. Finora, la capacità del team di guidare gli elettroni è stata limitata a due dimensioni; sarà necessario il confinamento elettronico tridimensionale per consentire all'acceleratore di essere sufficientemente lungo da consentire maggiori guadagni di energia.
Un gruppo di ricerca gemello della Friedrich Alexander University (FAU) a Erlangen, in Germania, ha recentemente dimostrato un dispositivo simile con un singolo laser e partendo da un'energia iniziale molto più bassa. Questo e il dispositivo di Stanford alla fine faranno parte di una sorta di corsa a staffetta di elettroni, ha affermato Broaddus.
Questo futuro relè avrebbe tre compagni di squadra:il dispositivo FAU prenderebbe elettroni a bassa energia e darebbe loro un calcio iniziale, quindi potrebbero essere immessi in un dispositivo simile a quello che Broaddus sta sviluppando. L'ultimo passo per gli elettroni sarebbe un acceleratore di vetro, come quello sviluppato da Byer. Il vetro può sopportare colpi ancora più forti da parte dei laser rispetto al silicio, consentendo all'acceleratore di energizzarsi ulteriormente e spingere gli elettroni verso la velocità della luce.
Alla fine, Solgaard ritiene che un acceleratore così piccolo sarà utile nella fisica delle alte energie, esplorando la materia fondamentale che costituisce l’universo proprio come fanno le sue controparti più grandi. "Abbiamo una strada molto, molto lunga da percorrere", ha detto. Ma è ancora ottimista e aggiunge:"abbiamo fatto i primi passi."
Ulteriori informazioni: Payton Broaddus et al, Acceleratori laser dielettrici con messa a fuoco di fase alternata subrelativistica, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.085001
Fornito dall'Università di Stanford
