Proradio najmanji akcelerator čestica na svijetu

Akceleratori čestica ključni su alati u velikom broju područja u industriji, istraživanju i medicinskom sektoru. Prostor koji ovi strojevi zahtijevaju kreće se od nekoliko četvornih metara do primjerice 27 kilometara, koliko ima najveći svjetski akcelerator, veliki hadronski sudarač čestica LHC koji se nalazi 175 metara ispod francusko-švicarske granice u blizini Ženeve.

Korištenje lasera za ubrzavanje elektrona unutar fotonske nanostrukture predstavlja mikroskopsku alternativu s potencijalom stvaranja znatno nižih troškova i znatno manje glomaznih uređaja.

U pokušaju da poboljšaju i smanje veličinu postojećih uređaja, fizičari diljem svijeta rade na dielektričnom laserskom ubrzanju, također poznatom kao nanofotonski akceleratori. Strukture koje koriste duge su samo 0,5 milimetara, a kanal kroz koji se ubrzavaju elektroni širok je samo otprilike 225 nanometara, što ove akceleratore čini malima poput računalnog čipa.

Prije nešto više od dvije godine tim istraživača na sveučilištu FAU Erlangen-Nürnberg iz Njemačke, ostvario je svoj prvi veliki napredak, uspješno upotrijebivši metodu izmjeničnog fokusiranja faze APF za kontrolu protoka elektrona u vakuumskom kanalu na velikim udaljenostima. Ovo je bio prvi veliki korak na putu prema izgradnji akceleratora čestica.

Sada, sve što je bilo potrebno za dobivanje velike količine energije bilo je ubrzanje. "Koristeći ovu tehniku, sada smo uspjeli ne samo voditi elektrone, već i ubrzati ih u ovim nano-proizvedenim strukturama na duljini od pola milimetra", objašnjava članica istraživačkog tima Stefanie Kraus. Iako to mnogima možda ne zvuči kao veliko postignuće, to je veliki uspjeh za područje fizike akceleratora. “Dobili smo energiju od 12 kiloelektron volti. To je dobitak energije od 43 posto,” objašnjava njezin kolega Leon Brückner.

Kako bi ubrzali čestice na tako velikim udaljenostima (gledano iz nano skale), fizičari FAU-a kombinirali su APF metodu s posebno razvijenim geometrijskim strukturama u obliku stupa.

Međutim, ova je demonstracija tek početak. Sada je cilj povećati dobitak u energiji i struji elektrona do te mjere da akcelerator čestica na čipu bude dovoljan za primjenu u medicini. Da bi to bio slučaj, dobitak u energiji trebao bi se povećati za faktor od približno 100. “Kako bismo postigli veće struje elektrona pri višim energijama na izlazu strukture, morat ćemo proširiti strukture ili postaviti nekoliko kanala jedan pored drugog,” objašnjava dr. Tomáš Chlouba, koji je uz dr. Petera Hommelhoffa vodio ovaj projekt. 

Ono što su laserski fizičari iz Erlangena uspjeli gotovo su istovremeno pokazali kolege sa Sveučilišta Stanford u Sjedinjenim Državama. Njihovi su rezultati trenutno u fazi pregleda, ali se mogu vidjeti u repozitoriju. Dva tima zajedno rade na realizaciji “Akceleratora na čipu” u projektu koji financira Zaklada Gordon i Betty Moore. „U 2015. tim ACHIP-a predvođen FAU-om i Stanfordom imao je viziju revolucionarnog pristupa dizajnu akceleratora čestica“, rekao je dr. Gary Greenburg iz Zaklade Gordon i Betty Moore, „i oduševljeni smo što je naša podrška pomogla preokrenuti ovu viziju u stvarnost.”

Studiju istraživača FAU-a objavljenu u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.