На представленной иллюстрации изображена простая функциональная схема нанофотонного ускорителя электронов N + 1 (Tomáš Chlouba et al. / Nature). Недавно группа исследователей из Германии разработала весьма любопытный когерентный нанофотонный ускоритель для ускорения частиц с одновременной активной фокусировкой в плотный пучок. Данное устройство позволило увеличить энергию исходного пучка более чем на 40 процентов при прохождении электронов через узкий канал диаметром 225 нанометров на расстоянии 500 микрометров. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Nature. В традиционной практике ускорения заряженных частиц ученые применяют высокочастотные резонаторы, при этом наиболее значимые достижения связаны с кольцевыми ускорителями, где энергия частиц возрастает с каждым витком. Примером служит Большой адронный коллайдер — наиболее известный из подобных установок, достигший рекордного значения энергии в 6,8 тераэлектронвольт на пучок.
К сожалению, ускорять электроны до высоких энергий в кольцевых ускорителях не дает их малая масса и синхротронное излучение, которое уносит накопленную энергию. Для получения электронов высоких энергий строят линейные ускорители, такие как SLAC.
Градиент ускорения, который испытывают частицы в классических ускорителях, ограничен пиковым радиочастотным полем, которое могут выдержать металлические поверхности конструкции, и обычно составляет десятки мегавольт на метр. Чтобы обойти подобные ограничения, ученые разрабатывают другое направление в ускорительной технике — диэлектрические лазерные ускорители (нанофотонные ускорители). Диэлектрические материалы могут выдерживать оптическую нагрузку до десяти гигавольт на метр. Подобные технологии потенциально могут на несколько порядков сократить требуемые размеры и стоимость ускорительных комплексов.
Томас Хлоуба (Tomáš Chlouba) и его коллеги из Университета имени Фридриха — Александра в Эрлангене и Нюрнберге создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который состоит из двух рядов кремниевых столбиков высотой два микрометра. Ученые освещали столбики сверху лучом лазера длиной волны 1,93 микрометра, чтобы создать необходимый режим ближнего поля. Электронный пучок инжектировался в эту структуру между рядами столбиков с начальной энергией электронов 28,4 килоэлектронвольт. Если выполнено условие синхронизации — период структуры отнесенный к длине волны лазера равен скорости электронов, нормированных на скорость света в вакууме — то электроны и оптическая ближнепольная мода движутся с одинаковой скоростью. Чтобы ускорить электроны, ученые увеличили период структуры.
Схема экспериментальной установки. Tomáš Chlouba et al. / Nature
Ученым удалось не только разогнать электроны, но и решить проблему их фокусировки. Согласно теореме Ирншоу одновременная фокусировка луча электронов по всем трем направлениям невозможна. Однако это ограничение физики сумели обойти, применив технику попеременной фазовой фокусировки. Чтобы изменить фазу синхронизации, Хлоуба с коллегами увеличил один из промежутков между последовательными парами кремниевых столбиков. Это привело к фокусировке электронов в поперечном направлении, но к дефокусировке в продольном. Внедряя аналогичные фазовые сдвиги далее вдоль следования пучка электронов, физики попеременно фокусировали пучок либо в продольном, либо в поперечном направлении.
Энергетические спектры, демонстрирующие ускорение электронов (a-d) — Энергетические спектры электронов (красным цветом), полученные на расстояниях 200, 300, 400 и 500 микрометров; синим цветом показан результат компьютерного моделирования; (е) — Зависимость положения пика на спектре энергий, соответствующего когерентно ускоренным электронам, по отношению к длине ускоряющей структуры. Tomáš Chlouba et al. / Nature
В результате ученым удалось разогнать электроны на 43 процента до энергии 40,7 килоэлектронвольт на расстоянии 500 микрометров и при этом сохранить фокусировку пучка в канале шириной всего 225 нанометров. Физики отмечают, что полученные энергии электронов пока далеки от масштабов гигаэлектронвольт, а также наблюдались существенные потери электронов из-за недостаточной оптимизации установки. Однако представленный концепт может быть доработан и масштабирован, что по мнению ученых потенциально может привести к созданию более дешевых и компактных ускорителей электронов в будущем.
Идея компактных ускорителей частиц крайне привлекает ученых. Например, ранее мы писали, как при помощи терагерцового излучения физики разогнали электроны в ускорителе размером со спичку.
Для любознательных: Новый рассвет микроэлектроники: как нанофотонные ускорители разгоняют электроны на ладони
Представьте себе гигантский Большой адронный коллайдер длиной в 27 километров. А теперь уменьшите его до размеров обычного кремниевого чипа, который можно держать на кончике пальца. Это не фантастика, а реальность современной физики: эпоха когерентных нанофотонных ускорителей (ускорителей на чипе, или DLA — Dielectric Laser Accelerators) официально наступила.
Физики научились разгонять пучки электронов с помощью лазерного света внутри кремниевых структур нанометрового размера. Недавний прорыв — добавление когерентной фокусировки пучка — позволил решить главную проблему технологии: удержание субмикронного пучка от рассеяния.
Как это работает: свет вместо гигантских клистронов
В традиционных ускорителях электроны разгоняются с помощью радиоволн (микроволнового излучения). Чтобы достичь высоких энергий, требуются огромные и дорогие вакуумные камеры и километры туннелей.
Нанофотонные ускорители меняют правила игры:
- Кремниевая основа. На чипе вытравливаются тончайшие диэлектрические структуры — наноколонны или каналы специальной формы.
- Лазерный привод. Вместо радиоволн используется инфракрасный лазер. Частота световых колебаний в сотни тысяч раз выше радиоволн, поэтому и сама ускоряющая структура может быть в миллионы раз меньше.
- Когерентная фокусировка. Электроны имеют свойство разлетаться в разные стороны из-за взаимного отталкивания. Технология когерентной фазовой фокусировки (APF) использует лазерный свет не только для разгона частиц, но и для одновременного сжатия пучка в пространстве. Свет буквально «упаковывает» электроны в идеальный тонкий луч.
Что происходит в мире?
За рубежом гонка нанофотонного ускорения вышла на стадию создания первых коммерчески применимых прототипов. Основное противостояние и сотрудничество разворачиваются между научными центрами США и Германии.
Лидеры индустрии и науки:
- Университет Эрлангена — Нюрнберга (FAU), Германия. Группа под руководством профессора Петера Хоммельхоффа (Peter Hommelhoff) является пионером в этой области. Именно они в конце 2023 года впервые продемонстрировали работающий нанофотонный ускоритель электронов с использованием лазерного излучения, сумев существенно поднять энергию частиц на отрезке всего в 0,5 миллиметра.
- Стэнфордский университет и SLAC, США. Группа под руководством Роберта Байера (Robert Byer) активно развивает концепцию «ускорителя на чипе» (Accelerator on a Chip International Program — ACHIP). Они фокусируются на интеграции лазерных источников непосредственно в кремниевую подложку.
- Японские институты (RIKEN). Азиатские коллеги сосредоточены на применении таких чипов для создания сверхкомпактных источников рентгеновского излучения (мини-синхротронов).
Сегодня мировые команды бьются за увеличение темпа ускорения (градиента энергии) и создание каскадных чипов, где электроны будут передаваться из одного наноблока в другой без потерь.
А что в России?
Российская физическая школа исторически сильна в области ускорительной техники и квантовой оптики. Исследования в области нанофотоники и физики плазмы ведутся в нескольких ключевых центрах, хотя акценты отечественных ученых имеют свою специфику.
Ключевые точки роста:
- Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН, Нижний Новгород). Нижегородские физики — мировые лидеры в генерации мощного лазерного излучения. Они активно исследуют взаимодействие лазерных полей экстремальной мощности с веществом, что является теоретическим и технологическим фундаментом для нанофотонного ускорения.
- Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и МГУ им. Ломоносова. Здесь ведутся теоретические расчеты и компьютерное моделирование процессов когрерентной фокусировки пучков. Российские теоретики предлагают уникальные конфигурации диэлектрических каналов, которые могут эффективнее удерживать пучок, чем западные аналоги.
- Институт ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН, Новосибирск). Главный ускорительный хаб страны внимательно следит за микротехнологиями. Сибирские физики рассматривают нанофотонные чипы как перспективные инжекторы (источники начального пучка) для больших установок класса «мегасайенс», таких как строящийся СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов).
Основным вызовом для масштабного развертывания этой технологии в России остается доступ к передовым фабрикам нанолитографии (класса 10-28 нм), способным штамповать кремниевые структуры с точностью до единиц нанометров. Тем не менее, экспериментальная база создается на базе научно-технологических центров в Зеленограде и Сколково.
Почему это важно: медицина и технологии будущего
Зачем ученым тратить годы на уменьшение ускорителей? Ответ кроется в колоссальном прикладном потенциале:
- Целевая лучевая терапия. Нанофотонный ускоритель можно разместить на конце медицинского эндоскопа. Его можно ввести прямо внутрь опухоли и облучать раковые клетки электронами изнутри, не повреждая здоровые ткани пациента.
- Настольные рентгеновские лазеры. Компактные чипы позволят создавать биологические микроскопы атомного разрешения для любой университетской лаборатории. Ученые смогут «фотографировать» структуру белков и вирусов в реальном времени, не выстраиваясь в очередь на гигантские синхротроны.
- Безвредная дефектоскопия. Сканеры на чипах позволят просвечивать микросхемы и детали самолетов прямо на конвейере, мгновенно находя внутренние трещины.
Когерентные нанофотонные ускорители — это не замена классическим коллайдерам для поиска Бозона Хиггса. Это инструмент, который сделает высокие энергии доступными, дешевыми и повседневными. Физика элементарных частиц уверенно переезжает из многокилометровых подземных тоннелей в карманы наших пиджаков.
Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/
