איור של מאיץ בגודל קופסת נעליים. מקור אלקטרונים וצרור/מזרק מוזנים ל-DLA תת-יחסותי (המכשיר המתואר במאמר זה), המאיץ אלקטרונים עד 1MeV באנרגיה. אלקטרונים אלו מואצים עוד יותר על ידי DLA רלטיביסטי מונע על ידי מוליך גל SiO2, ולבסוף עוברים דרך גליל כדי לייצר קרינת אלקטרונים חופשית קוהרנטית. קרדיט: קרן מור / Payton Broaddus
התקדמות חדשה של מהנדסי סטנפורד עשויה להוביל לכך שמאיצי חלקיקים יהיו זמינים באופן נרחב במדע, ברפואה ובתעשייה.
חוקרי סטנפורד מתקרבים לבניית מאיץ אלקטרונים זעיר המבוסס על טכנולוגיית "מאיץ-על-שבב" עם יישומים פוטנציאליים רחבים בלימודי פיזיקה כמו גם בשימושים רפואיים ותעשייתיים.
החוקרים הוכיחו כי מאיץ לייזר דיאלקטרי סיליקון, או DLA, יכול כעת גם להאיץ ולגביל אלקטרונים, וליצור קרן ממוקדת של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. "אם האלקטרונים היו מכוניות מיקרוסקופיות, זה כאילו, בפעם הראשונה, אנחנו מנווטים ורגלנו על הגז", אמר פייטון ברודוס, דוקטור 23 להנדסת חשמל והמחבר הראשי במאמר שפורסם ב- 23 בפברואר המפרט את פריצת הדרך ב מכתבי סקירה פיזית.
העברת מאיצים ממייל למיקרון
מאיצים מייצרים אלומות חלקיקים בעלות אנרגיה גבוהה המאפשרות לפיסיקאים לחקור את תכונות החומרים, לייצר בדיקות ממוקדות ליישומים רפואיים ולזהות את אבני הבניין היסודיות המרכיבות את כל החומר ביקום. כמה ממאיצי החלקיקים בעלי האנרגיה הגבוהה ביותר, שפותחו בשנות ה-30, יכלו להתאים על משטח שולחן. אבל אנרגיות חלקיקים גבוהות יותר נדרשו כדי ללמוד פיזיקה מתקדמת יותר, ולכן מדענים היו צריכים לבנות מערכות גדולות יותר. (הופעל בשנת 1966, מנהרת המאיץ הליניארי המקורית במעבדת האצה הלאומית של SLAC בקמפוס של סטנפורד היא באורך של כמעט 2 מיילים.)
בעוד שמערכות אלו אפשרו תגליות רבות בפיזיקה של חלקיקים, ל-Broaddus יש מוטיבציה לבנות מאיץ ליניארי זעיר שיכול בסופו של דבר להתחרות ביכולות של מכונות פי יותר מאלף מגודלן, בשבריר מהעלות. זה יאפשר גם יישומים חדשים ברפואה, כמו היכולת לחבר את המכשיר הזה לבדיקה קטנה ולירות במדויק קרן אלקטרונים לעבר גידול. "יש את היכולת להחליף לחלוטין כל מאיץ חלקיקים אחר במשהו שהוא זול וקטן יותר", אמר.
הודות להתקדמות בייצור בקנה מידה ננו ולייזרים, חזון זה מתאפשר יותר ויותר, אמר אולב סולגורד, מנהל מעבדת אדוארד ל. גינזטון והפרופסור של רוברט ל. ואודרי ס. הנקוק בבית הספר להנדסה והסופר הבכיר בנושא הנייר. מאיצי תדרי רדיו מסורתיים מורכבים מחללות נחושת הנשאבים בגלי רדיו, המעניקים לחלקיקים דחיפה אנרגטית. פולסים אלו יכולים לחמם את המתכת, כך שהחללים צריכים לפעול בקצבי אנרגיה ודופק נמוכים יותר כדי לפזר את החום ולהימנע מהתכה.
אבל מבני זכוכית וסיליקון יכולים להתמודד עם פולסי אנרגיה גבוהים בהרבה מלייזרים מבלי להתחמם, כך שהם יכולים להיות הרבה יותר חזקים ובמקביל להיות קטנים יותר. לפני כ-10 שנים, חוקרי סטנפורד החלו להתנסות במבנים בגודל ננו העשויים מחומרים אלו. בשנת 2013, צוות בראשות מחבר העיתון רוברט בייר, הפרופסור וויליאם ר. קינן, ג'וניור, אמריטוס, הוכיח כי מאיץ זכוכית זעיר עם אור אינפרא אדום פועם האיץ בהצלחה אלקטרונים. תוצאות אלו הובילו לכך שהפרויקט אומץ על ידי קרן גורדון ובטי מור במסגרת שיתוף הפעולה הבינלאומי של Accelerator on a Chip (ACHIP) לייצור מאיץ מגה-אלקטרון-וולט בגודל קופסת נעליים.
אבל ל"מאיץ על שבב" הראשון הזה עדיין היו כמה קימטים שצריך לפתור. כפי שמנסח זאת ברודוס, האלקטרונים בפנים היו כמו מכוניות בכביש צר ללא הגה. הם יכולים להאיץ מהר מאוד אבל באותה קלות להתנגש בקיר.
מיקרוסקופ אלקטרוני סורק של מאיץ לייזר דיאלקטרי באורך חצי מילימטר שדרכו עוברים אלקטרונים ומאיצים. תאים המסומנים כשחור מתמקדים במיקוד אורכי ומבטל מיקוד רוחבי (LFTD), בעוד הלבן מנטרל מיקוד רוחבי (LDTF), מה ששומר על האלקטרונים במסלול. (קרדיט תמונה: Broaddus, P., Egenolf, T., Black, DS, Murillo, M., Woodahl, C., Miao, Y., … Solgaard, O. (2024). Subrelativistic Alternating Phase Focusing Dilectric Laser Accelerators. Phys. Rev. Lett., 132, 085001. doi:10.1103/PhysRevLett.132.085001)
אלקטרוני הגה עם לייזרים
כעת, הצוות הזה של חוקרי סטנפורד הראה בהצלחה שהם יכולים גם לנווט אלקטרונים לעבר ננומטרי. לשם כך הם בנו מבנה סיליקון עם תעלה תת-מיקרונית שהוקמה במערכת ואקום. הם הזריקו אלקטרונים לקצה אחד והאירו את המבנה משני הצדדים בפולס לייזר מעוצב שהעניק בעיטות של אנרגיה קינטית. מעת לעת, שדות הלייזר התהפכו בין תכונות מיקוד לביטול מיקוד, מה שחיבר את האלקטרונים יחד, ומנע מהם לסטות מהמסלול.
בסך הכל, שרשרת האצה, ביטול המיקוד והמיקוד הזו פעלה על האלקטרונים למרחק של כמעט מילימטר. זה אולי לא נשמע רחוק, אבל החלקיקים הטעונים האלה קיבלו את הבעיטה, והרוויחו 23.7 קילו-אלקטרון-וולט של אנרגיה, בערך 25% יותר מהאנרגיה ההתחלתית שלהם. קצב ההאצה שהצוות הצליח להשיג במאיץ הזעיר האב-טיפוס שלהם דומה למאיצי הנחושת הרגילים, וברודוס מוסיף כי יתכנו קצבי תאוצה גבוהים בהרבה.
למרות שזהו צעד משמעותי קדימה, יש עוד מה שצריך לעשות לפני שניתן יהיה להשתמש במאיצים הקטנים האלה בתעשייה, ברפואה ובמחקר. עד כה, יכולת הצוות לנווט אלקטרונים הוגבלה לשני מימדים; כליאת אלקטרונים תלת מימדית תידרש כדי לאפשר למאיץ להיות ארוך מספיק כדי להתרחש רווחי אנרגיה גדולים יותר.
מרוץ ממסר אלקטרוני
קבוצת מחקר אחות באוניברסיטת פרידריך אלכסנדר (FAU) בארלנגן, גרמניה, הדגימה לאחרונה מכשיר דומה בלייזר יחיד ומתחיל באנרגיית התחלה נמוכה בהרבה. זה ומכשיר סטנפורד יהיו בסופו של דבר חלק ממעין מרוץ ממסר אלקטרונים, אמר ברודוס.
לממסר העתידי הזה יהיו שלושה חברים לצוות: מכשיר ה-FAU ייקח אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה וייתן להם בעיטה ראשונית, ואז ניתן יהיה להזין אותם למכשיר דומה לזה שברודוס מפתחת. השלב האחרון עבור האלקטרונים יהיה מאיץ עשוי זכוכית, כמו זה שפיתח בייר. זכוכית יכולה לעמוד בפני חבטות גדולות עוד יותר על ידי לייזרים מאשר סיליקון, מה שמאפשר למאיץ להמריץ עוד יותר ולדחוף את האלקטרונים לעבר מהירות האור.
בסופו של דבר, סולגארד מאמין שמאיץ זעיר כזה יהיה שימושי בפיזיקה עתירת אנרגיה, לחקור את החומר הבסיסי המרכיב את היקום בדיוק כפי שעושים עמיתיו הגדולים יותר. "יש לנו דרך מאוד מאוד ארוכה לעבור", אמר. אבל הוא עדיין אופטימי ומוסיף, "עשינו את הצעדים הראשונים".
מחברים נוספים בסטנפורד כוללים את דילן בלאק, דוקטורט '21; יו מיאו, דוקטורט '20; וסטודנטיות לדוקטורט מלאני מוריו וקלריס וודהל; ומהנדס המחקר לשעבר קנת לידל. Thilo Egenolf מ-Institut für Teilchenbeschleunigung und Elektromagnetische Felder בדרמשטאדט, גרמניה, הוא גם מחבר שותף.
רוברט בייר הוא גם פרופסור אמריטוס לפיזיקה יישומית בבית הספר למדעי הרוח והמדעים ובמנהלת מדעי הפוטונים של מעבדת האצה הלאומית של SLAC וחבר בסטנפורד ביו-X. סולגארד הוא גם פרופסור להנדסת חשמל; חבר ב-Bio-X, במכון לסרטן בסטנפורד ובמכון למדעי המוח Wu Tsai; ושלוחה של מכון פריקורט לאנרגיה ומכון סטנפורד וודס לאיכות הסביבה.
