In un progresso che potrebbe ridurre drasticamente gli acceleratori di particelle per la scienza e la medicina, i ricercatori hanno utilizzato un laser per accelerare gli elettroni a una velocità 10 volte superiore rispetto alla tecnologia convenzionale in un chip di vetro nanostrutturato più piccolo di un chicco di riso.

Il risultato è stato segnalato oggi in Natura da un team che comprende scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University.

"Abbiamo ancora una serie di sfide prima che questa tecnologia diventi pratica per l'uso nel mondo reale, ma alla fine ridurrebbe sostanzialmente le dimensioni e il costo dei futuri collisori di particelle ad alta energia per esplorare il mondo delle particelle e delle forze fondamentali, " ha detto Joel Inghilterra, il fisico SLAC che ha condotto gli esperimenti. "Potrebbe anche aiutare ad abilitare acceleratori compatti e dispositivi a raggi X per la scansione di sicurezza, terapia medica e imaging, e la ricerca in biologia e scienza dei materiali."

Poiché utilizza laser commerciali e a basso costo, tecniche di produzione di massa, i ricercatori ritengono che porrà le basi per le nuove generazioni di acceleratori "da tavolo".

Al suo pieno potenziale, il nuovo "acceleratore su un chip" potrebbe eguagliare la potenza di accelerazione dell'acceleratore lineare lungo 2 miglia di SLAC in soli 100 piedi, e fornire un milione di impulsi di elettroni in più al secondo.

Questa dimostrazione iniziale ha raggiunto un gradiente di accelerazione, o quantità di energia guadagnata per lunghezza, di 300 milioni di elettronvolt per metro. È circa 10 volte l'accelerazione fornita dall'attuale acceleratore lineare SLAC.

"Il nostro obiettivo finale per questa struttura è 1 miliardo di elettronvolt per metro, e siamo già a un terzo della strada nel nostro primo esperimento, " ha detto il professor Robert Byer di Stanford, il ricercatore principale per questa ricerca.

Gli acceleratori di oggi utilizzano le microonde per aumentare l'energia degli elettroni. I ricercatori hanno cercato alternative più economiche, e questa nuova tecnica, che utilizza laser ultraveloci per azionare l'acceleratore, è un candidato di primo piano.

Le particelle sono generalmente accelerate in due fasi. Per prima cosa vengono portati quasi alla velocità della luce. Quindi qualsiasi accelerazione aggiuntiva aumenta la loro energia, ma non la loro velocità; questa è la parte impegnativa.

Negli esperimenti con acceleratore su chip, gli elettroni vengono prima accelerati quasi alla velocità della luce in un acceleratore convenzionale. Poi si concentrano in un minuscolo, canale alto mezzo micron all'interno di un chip di vetro di silice fuso lungo solo mezzo millimetro. Il canale era stato modellato con creste su nanoscala esattamente distanziate. La luce laser a infrarossi che colpisce il modello genera campi elettrici che interagiscono con gli elettroni nel canale per aumentare la loro energia. (Vedi l'animazione di accompagnamento per maggiori dettagli.)

Trasformare l'acceleratore su un chip in un acceleratore da tavolo a tutti gli effetti richiederà un modo più compatto per far accelerare gli elettroni prima che entrino nel dispositivo.

Un gruppo di ricerca collaboratore in Germania, guidato da Peter Hommelhoff al Max Planck Institute of Quantum Optics, ha cercato una soluzione del genere. Riporta contemporaneamente in Lettere di revisione fisica il suo successo nell'uso di un laser per accelerare gli elettroni a bassa energia.

Le applicazioni per questi nuovi acceleratori di particelle andrebbero ben oltre la ricerca sulla fisica delle particelle. Byer ha affermato che gli acceleratori laser potrebbero guidare laser compatti a raggi X a elettroni liberi, paragonabile a Linac Coherent Light Source di SLAC, che sono strumenti universali per una vasta gamma di ricerche.

Un'altra possibile applicazione è piccola, sorgenti di raggi X portatili per migliorare le cure mediche per le persone ferite in combattimento, oltre a fornire immagini mediche più convenienti per ospedali e laboratori. Questo è uno degli obiettivi del programma Advanced X-Ray Integrated Sources (AXiS) della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), che ha parzialmente finanziato questa ricerca. Il finanziamento principale per questa ricerca proviene dall'Office of Science del DOE.