电光物理学和硅基MEMS结构相结合,研究人员欲打造芯片尺寸的电子加速器

据报道，一支合作研究团队正在尝试将电光物理学和硅基MEMS结构相结合，针对目前使用的长达数公里的粒子加速器，他们要打造一款芯片尺寸的电子加速器。

长约30公里的国际直线对撞机（International Linear Collider），由两台大型超导直线加速器组成

物理学家和工程师们都了解高能电子粒子加速器的成本有多高昂，为了达到兆电子伏特（MeV）能级，需要长达数公里的结构。现在，科学家们正在探索一种新的方法，利用MEMS技术打造超小型通道和结构。这与基于MEMS技术的陀螺仪、激光测量、谐振器和光谱仪类似。

由美国Gordon和Betty Moore基金资助的“芯片上加速器国际计划（AChIP）”，专注于打造硅基电子加速器。这项多学科、多机构合作的计划，目标是在芯片上生成具有1 MeV能量的电子脉冲，产生飞秒到阿秒（10⁻¹⁵到10⁻¹⁸秒）的脉冲。

在发表于《物理评论快报》的论文中，德国达姆施塔特工业大学（TU Darmstadt）加速器物理组的电气工程师开发了一种微型激光驱动电子加速器设计，理论上它可以小到在硅基芯片上进行制造。

该设计在其核心采用了玻璃和硅基结构，用外部激光作为能源，而非传统加速器采用的微波发生器。玻璃的高电场强度意味着可以提高粒子加速率。因此，相同的能量可以在更短的物理空间内转移到粒子上。由此得到的加速器要比提供相同能量的传统加速器短一个数量级。

当然，理论上说起来容易做起来难，因为芯片上电子的真空通道必须非常小，这反过来要求电子束非常聚焦。现有加速器中使用的传统磁聚焦方法太弱，而无法满足这一要求，因此需要开发一种全新的聚焦方法才能使芯片上加速器成为现实。

1、上图为用硅材料制造的双柱结构，采用基于激光的光学相位控制来聚焦电子加速和减速区。

在这里，激光、电子和深物理的融合变得更加复杂、先进和微妙。德国达姆施塔特工业大学的AChIP小组开发了一种不同的解决方案，利用源激光场将电子聚焦在仅420 nm宽的通道中。他们的研究只是这个高度复杂、基础广泛的合作计划的一部分。

与磁基加速器的电子动力学不同，这种基于MEMS的加速器实现了与传统硅制造兼容的二维设计。它使用一种称为交变相聚焦（APF）的技术，沿着芯片表面平面的两个方向引发激光驱动的聚焦和散焦交替。虽然有些违反直觉，但物理学完全支持这一理论，它保证了沿纵轴和横轴的粒子稳定性，并将电子保持在应处的位置。

2、双柱介电激光加速（DLA）结构示意图和参考粒子周围的粒子束示意图（上部），以及纵向时谐电场模拟（底部）。

这里讨论的APF技术也可用于将电子注入加速器结构所需的聚束。正弦能量的产生和去除也会产生电子能量扩散很低的极短（阿秒）束长。

3、电子加速器完整示意图，显示每个连续阶段的脉冲和能量的累积。

医用直线加速器

对于这款器件的非研究用途，它能否或何时实现实际应用，目前可能还不清楚。总体来说，就像当它首次展示时有评论戏称，这项技术是“寻求问题来解决的解决方案”。该技术在医学领域的一种可能用途，是作为一种组合的加速器-内窥镜，利用电子照射人体内深处的肿瘤。