优化激光加速器的交相聚焦

在“片上加速器”技术的帮助下，斯坦福大学的研究人员越来越接近于制造一种微型电子加速器，该加速器可以在工业、医学和物理研究中具有各种应用。

科学家们已经证明，现在可以使用硅介电激光加速器加速和限制电子，从而产生集中的高能电子束。该研究发表在《物理评论快报》杂志上。

加速器产生的高能粒子束使物理学家能够研究材料特性，为医疗应用创建有针对性的探针，并确定构成宇宙的物质的基本成分。一些最早的高能粒子加速器开发于 1930 年代，体积小到可以放在桌面上。

然而，需要更高的粒子能量来研究更复杂的物理学，这意味着科学家必须构建更大的系统。斯坦福大学校园内SLAC国家加速器实验室的原始直线加速器隧道于1966年投入使用，长近2英里。

该论文的资深作者、Edward L. Ginzton实验室主任、工程学院的Robert L. and Audrey S. Hancock教授Olav Solgaard表示，由于纳米级制造和激光技术的进步，这一愿景正变得越来越可行。传统的射频加速器由泵入铜腔的无线电波组成，增加了粒子的能量。

由于金属可能会被这些脉冲加热，因此空腔必须以较低的能量和脉冲速率工作，以散热并防止熔化。

然而，玻璃和硅结构可以更强大、更小，因为它们可以承受更高能量的激光脉冲而不会过热。大约十年前，斯坦福大学的研究人员开始对这些材料的纳米级结构进行实验。2013年，由罗伯特·拜尔，威廉·R·凯南名誉教授和该论文的合著者领导的一个小组证明，电子可以通过脉冲红外光的微小玻璃加速器成功加速。

由于这些成果，戈登和贝蒂·摩尔基金会接受了该项目作为全球芯片加速器合作的一部分，旨在创建一个鞋盒大小的巨型电子伏特加速器。 然而，最初的“芯片加速器”仍然存在问题。根据Broaddus的说法，里面的电子就像没有方向盘的狭窄道路上的汽车一样——它们可以同样容易地撞到墙上，并加速度极快。

斯坦福大学的研究小组现在已经成功地证明了他们在纳米尺度上控制电子的能力。为了实现这一目标，他们在真空系统中创造了一种具有亚微米通道的硅结构。他们将电子放入一端，并使用产生动能踢的成形激光脉冲从两侧照亮结构。通过激光场的聚焦和散焦特性之间的周期性翻转，防止电子偏离轨道。

电子受到这种加速、散焦和聚焦的序列的影响，超过近一毫米。虽然看起来不多，但这些带电粒子的能量显着增加，比它们的初始能量增加了23.7千电子伏特，或约25%。该团队的原型微型加速器的加速速度与传统的铜加速器相当，Broaddus表示，可以实现更高的加速速度。

尽管这是朝着正确方向迈出的一大步，但在将这些微型加速器应用于商业、医疗保健和研究之前，还需要做更多的工作。该团队只能在二维空间中操纵电子;需要三维电子约束来延长加速器足够长的时间以实现更高的能量增益。

Broaddus提到，位于德国埃尔朗根的弗里德里希·亚历山大大学的一个姊妹研究小组最近展示了一种类似的设备，该设备使用单个激光器，并且从显着较低的初始能量水平开始。他表示，FAU设备和斯坦福设备最终将构成他所描述的电子继电器竞赛的一部分。 三个人将参加即将到来的接力赛。在从FAU设备接收到初始助推器后，低能电子可以被送入类似于Broaddus正在创造的设备中。

对于电子来说，最后一步将是一个由玻璃组成的加速器，类似于拜尔创造的加速器。由于玻璃比硅更能抵抗激光辐射，因此加速器可以更多地激发电子并将它们加速到光速。

索尔加德认为，最终，就像更大的加速器一样，这种微小的加速器将有助于高能物理学，探索构成宇宙的基本物质。虽然“我们还有很长的路要走”，但索尔加德仍然保持乐观，并补充说“我们已经迈出了最初的几步。