当电子流过硅芯片的蚀刻通道时，激光（图中黄色和紫色部分）把粒子加速至高速。（图片来源：Neil Sapra）
在一台正常大小的粒子加速器中，电子在微波轰击下飞过几千米的距离，加速至接近光速。在像加州SLAC国家加速器实验室这样的地方产生的这种高能电子束能用于许多实验，包括捕捉非常细致的图像和探测分子的结构。但粒子加速器是昂贵的，科学家们需要跑遍世界各个地方，尽管如此，也不能满足所有递交预约时间的研究人员。为了使更多人能使用这种设备，斯坦福大学的一个团队研究了一种激光驱使的粒子加速器——仅有一片硅芯片大小，并且其规模最终可以被放大，用来产生与SLAC电子束能量相当的电子束。
“把激光用于加速器的想法起源于1960年激光刚出现的时候，”一位斯坦福研究员Robert Byer说，他从1974年就开始研究这个概念了。激光能产生一种电磁波，其波长远远小于正常大小加速器使用微波的波长，也就是说它能在更小的空间内加速电子。“这些设备的尺寸异常小，”Byer说。比如说，这种新型加速器中电子通过的通道只有0.003毫米宽——大约只有人类红细胞的半径大小。
虽然激光驱使的设备加速电子所需的空间比正常大小粒子加速器所需的空间小很多，但是它们对激光与电子对齐的精度要求会很高，这样光波就能以最大的能量推动电子朝正确的方向运动。“你不仅需要展现出在极小结构中给激光和电子配对的能力，还需要产生电子并使它们沿轨道传播，”Byer解释道。在2013年，一个来自斯坦福及其他美国机构的团队和另一个来自德国的研究团队分别成功用激光加速电子。但这些概念验证阶段的原型机需要另外的生产电子的设备，仅用现存科技很难批量生产。
然而，要放大刻在硅上的激光驱动加速器规模会比较容易，并且能在同一块芯片上可以放下多个部件。Byer和其他几个研究人员合作，包括斯坦福大学的电气工程师Jelena Vuckovic，来造这样的工具。“你需要设计一种能正确引导光方向的结构，这样光就能总在正确的方向上提供动力——于是粒子就会被不断加速，”Vuckovic说。为了找到这样一种结构，她的学生Neil Sapra用计算机模拟了不同结构与射入电磁波相互作用的方式。一旦他们找到了一种能尽可能往正确方向加速电子的设计，研究人员就会把这种设计刻在硅片上。
巴克球设计（图片来源：Melissa Thomas Baum）
当激光脉冲向下射到硅片时，激光会先碰到一个叫“输入耦合器”的光栅，使它沿着芯片传播。接下来，光波会遇到计算机设计的横跨整个芯片的线路。当光通过时，该结构会聚焦光波。这样它们就能把能量注入沿着线路运动的电子了。这股能量推动粒子加速运动。关于该芯片的具体描述发表在周四的《科学》中。
“这篇论文含金量很高，”Brookhaven国家实验室加速器测试部主任Mark Palmer说，他并没有参加这项新研究。“我认为他们很好地展示了我们如何能够通过设计这些结构实现进步，并希望在不久的将来能生产出一些确实可用的设备，”他补充道。
斯坦福的研究人员们发现他们的原型机能成功地往电子中输入915电子伏特的能量。虽然以日常标准来看，这些能量微不足道，但这是电子仅通过0.03毫米所增加的能量——若它们通过一米的距离，所增加的能量将会达到3千万电子伏特。SLAC的加速器在几米内能给电子输入几百亿电子伏特，却也不能与之相比。然而，这个缩小的加速器的规模比它的竞争对手要容易放大：由于它是被刻在硅片上的，研究人员可以在不增加体积的情况下，把几个加速轨道加入未来的设计中。
“我们展示了一阶的加速器，”Vuckovic说。“在单个硅片上把一阶加速器升为1000阶其实很简单。”她估计1000阶的加速器芯片也就几厘米长，并能给电子注入一百万电子伏特的能量，使它们的速度达到大约94%光速。这已经足以让一些本需要向SLAC借加速器的研究人员做一些实验了。这种能级的电子还有医学应用的潜力，比如说给癌症患者提供目标辐射治疗，同时不伤害健康的组织。“我们基本上可以造出能产生高度聚焦电子束的机器，并用它来选择性地治疗肿瘤，”Vuckovic说。她希望她的团队能在一年内研发出放大版的芯片，但在这之后到产品能投入应用还需五年，要做到医疗应用可能需要更久的时间。
Palmer的估计更保守一些，他猜该技术到应用还需10年才会有成果。然而，他对到时芯片加速器的影响很乐观。“到最后，相对于只能在特定环境下工作的更大的粒子加速器，”他说，“通过在这些微小结构中【加速粒子】，你的设备能适应任何操作环境。”
作者：Sophie Bushwick，《科学美国人》的技术编辑
翻译：费哲妮
审校：潘燕婷
引进来源：科学美国人
本文来自：环球科学
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