Gli acceleratori di particelle sono strumenti cruciali in un'ampia varietà di settori dell'industria, della ricerca e del settore medico. Lo spazio richiesto da queste macchine va da pochi metri quadrati ai grandi centri di ricerca. L'utilizzo dei laser per accelerare gli elettroni all'interno di una nanostruttura fotonica costituisce un'alternativa microscopica con il potenziale di generare costi significativamente inferiori e di rendere i dispositivi notevolmente meno ingombranti.
Finora non è stato dimostrato alcun sostanziale guadagno energetico. In altre parole, non è stato dimostrato che la velocità degli elettroni sia realmente aumentata in modo significativo. Un team di fisici laser della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) è ora riuscito a dimostrare il primo acceleratore di elettroni nanofotonico, contemporaneamente ai colleghi dell’Università di Stanford. I ricercatori della FAU hanno ora pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature .
Quando si sente parlare di "acceleratore di particelle" si pensa probabilmente al Large Hadron Collider di Ginevra, il tunnel a forma di anello lungo circa 27 chilometri utilizzato dai ricercatori di tutto il mondo per condurre ricerche su particelle elementari sconosciute. Tuttavia, questi enormi acceleratori di particelle rappresentano un’eccezione. È più probabile che li incontriamo in altri luoghi della nostra vita quotidiana, ad esempio nelle procedure di imaging medico o durante le radiazioni per curare i tumori.
Anche in questo caso, però, i dispositivi misurano diversi metri e sono ancora piuttosto ingombranti, con margini di miglioramento in termini di prestazioni. Nel tentativo di migliorare e ridurre le dimensioni dei dispositivi esistenti, i fisici di tutto il mondo stanno lavorando sull’accelerazione laser dielettrica, nota anche come acceleratori nanofotonici. Le strutture che utilizzano sono lunghe solo 0,5 millimetri e il canale attraverso il quale vengono accelerati gli elettroni è largo solo circa 225 nanometri, il che rende questi acceleratori piccoli quanto un chip di computer.
Le particelle vengono accelerate da impulsi laser ultracorti che illuminano le nanostrutture. "L'applicazione ideale sarebbe quella di posizionare un acceleratore di particelle su un endoscopio per poter somministrare la radioterapia direttamente nella zona interessata del corpo", spiega il dott. Tomáš Chlouba, uno dei quattro autori principali dello studio recentemente pubblicato.
Questo sogno potrebbe essere ancora ben oltre la portata del team FAU della cattedra di fisica del laser guidato dal Prof. Dr. Peter Hommelhoff e composto dal Dr. Tomáš Chlouba, Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner e Julian Litzel, ma ora sono riusciti a fare un passo decisivo nella giusta direzione dimostrando l’acceleratore di elettroni nanofotonico. "Per la prima volta possiamo davvero parlare di un acceleratore di particelle su un chip", afferma il dott. Roy Shiloh.
Poco più di due anni fa il team ha fatto il suo primo grande passo avanti:è riuscito a utilizzare il metodo di focalizzazione a fase alternata (APF), risalente agli albori della teoria dell’accelerazione, per controllare il flusso di elettroni in un canale del vuoto su lunghe distanze. Questo è stato il primo grande passo verso la costruzione di un acceleratore di particelle. Ora, tutto ciò che serviva per ottenere maggiori quantità di energia era l'accelerazione.
"Con questa tecnica siamo riusciti non solo a guidare gli elettroni, ma anche ad accelerarli in queste strutture nanofabbricate su una lunghezza di mezzo millimetro", spiega Stefanie Kraus. Anche se a molti questo potrebbe non sembrare un grande risultato, si tratta di un enorme successo per il campo della fisica degli acceleratori. "Abbiamo guadagnato 12 kiloelettronvolt di energia. Si tratta di un guadagno energetico del 43%", spiega Leon Brückner.
Per accelerare le particelle su distanze così grandi (se viste su scala nanometrica), i fisici della FAU hanno combinato il metodo APF con strutture geometriche a forma di pilastro appositamente sviluppate.
Questa dimostrazione, tuttavia, è solo l’inizio. Ora l'obiettivo è aumentare il guadagno di energia e di corrente degli elettroni a tal punto che l'acceleratore di particelle su un chip sia sufficiente per applicazioni in medicina. Affinché ciò avvenga, il guadagno di energia dovrebbe essere aumentato di un fattore pari a circa 100.
"Per ottenere correnti di elettroni più elevate a energie più elevate all'uscita della struttura, dovremo espandere le strutture o posizionare più canali uno accanto all'altro", spiega Tomáš Chlouba i prossimi passi dei fisici laser della FAU.
Ulteriori informazioni: Tomáš Chlouba, Acceleratore di elettroni nanofotonico coerente, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06602-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università Friedrich–Alexander Erlangen–Nurnberg
