硅芯片上的激光驅動粒子加速器是由兩個獨立的研究小組創建的。隨著進一步的改進，這種介電激光加速器可用于醫學和工業，甚至可以在高能粒子物理實驗中找到應用。

將電子加速到高能量通常是在大型和昂貴的設施中長距離完成的。例如，德國歐洲X射線自由電子激光器中心的電子加速器長3.4公里，加利福尼亞州的斯坦福直線加速器長3.2公里。

因此，電子加速器在醫學和工業中的實際應用受到嚴格限制。尺寸和成本也是基于加速器的粒子物理學中的因素，隨著碰撞能量的增加，設施變得越來越大，越來越昂貴。

沖浪者在波浪上

在傳統的加速器中，金屬腔中電場的微波振蕩像行波上的沖浪者一樣加速電子。最大加速度梯度通常為每米幾十兆伏，由腔體中金屬部件之間可能存在的最大電場定義。

“沒有人確切知道[空腔]表面發生了什么，這仍然是一個活躍的研究領域......但是當場變得太大時，像微小的小金字塔一樣的東西在表面上生長，然后電子噴出，場就會分解，“德國埃爾朗根-紐倫堡弗里德里希-亞歷山大大學的Peter Hommelhoff說。

傳統加速器的成本和技術挑戰意味著研究人員熱衷于開發替代加速方法。在這項最新研究中，振蕩電場是通過將激光脈沖發射到由硅納米結構制成的微小光學腔中產生的。

Hommelhoff說，物理學家花了將近三十年的時間才意識到電子加速也可以使用由光學頻率光驅動的納米光子腔來實現。使用光學光有助于縮小設備，因為輻射的波長比微波的波長短得多。

無需金屬

Hommelhoff指出了這種方法的另一個重要好處：“當你用激光驅動這些頻率時，你不需要金屬結構”。他補充說，“如果你只使用普通玻璃就足夠了......你可以生成與微波腔和微波場相同的模式”。

由于空腔是絕緣體，因此表面上的點不會出現高濃度的電荷。因此，加速度梯度的唯一限制是材料的電擊穿場。

原則上，這允許粒子加速器的納米光子集成，在微小的精確聚焦光束線中產生電子束。然而，也存在實際挑戰。每個束中的電子相互排斥，將一束電子保持在一起需要外力聚焦。此外，在一個方向上壓縮一堆會導致它在方向上傳播。

排斥問題

在以前的工作中，包括加利福尼亞州斯坦福大學的Hommelhoff和Olav Solgaard在內的研究人員已經證明，這種排斥問題可以通過交替相位聚焦來緩解。在這種技術中，電子交替地被限制在一個方向上，然后被限制在另一個方向上，產生振蕩場分布。

現在，兩個獨立的研究小組已經完成了這些加速器的新工作。其中一個由弗里德里希-亞歷山大大學的霍梅爾霍夫領導。另一個小組是由Solgaard領導的斯坦福大學科學家和由Uwe Niedermeyer領導的德國達姆施塔特工業大學的研究人員之間的合作。兩個團隊都創造了納米光子介電激光加速器，可以提高電子束的能量而不會分裂。Solgaard和Niedermeyer的團隊制造了兩個加速器 - 一個在斯坦福大學設計，一個在達姆施塔特工業大學設計。一個加速器在僅708μm的距離內將96 keV電子的能量提高了25%。這大約是人類頭發厚度的十倍。

“我認為我在電子上施加的力比其他任何人都大，”Solgaard說。

Hommelhoff小組的裝置在較低的能量下工作，在500μm上將電子從28.4 keV加速到40.7 keV。正如Hommelhoff所解釋的那樣，這帶來了自己的挑戰。“當你想要加速非相對論性的電子時 - 在我們的例子中，它們只以光速的三分之一傳播 - 這并不容易，而且產生與電子共同傳播的光學模式的效率較低。

更高的細分字段

研究人員現在正在尋求通過在具有比硅更高的擊穿場的材料中制造器件來實現更高的場梯度。他們認為，在短期內，他們的加速方案可以在醫學成像和暗物質搜索中找到應用。

Solgaard說，他“可能是極少數人認為這將在高能物理學中發揮作用”，但該技術應該可用于石英等材料，其擊穿場幾乎是傳統加速器的1000倍。“我們的毫米變成了一米，”他說;“當我們達到一米時，我們應該在能量上與SLAC相匹配......考慮在我的辦公室里安裝一個與SLAC相匹配的加速器。

“我認為這兩個團隊已經展示了邁向芯片上真正的加速器的重要新一步，”英國利物浦大學的加速器科學家Carsten Welsch說。然而，他警告說，在光束控制和微型診斷方面仍有許多工作要做。在應用方面，他說：“我和他們一樣對類似導管的醫療應用持樂觀態度，將電子帶到需要的地方，特別是對于我個人認為潛力最大的微型光源。高質量電子束和光的結合可以真正開辟全新的研究機會和應用。

然而，Welsch仍然不相信粒子對撞機等應用，指出此類機器需要高亮度和高光束質量。“下一個大型強子對撞機不會是介電激光加速器，”他總結道。

Hommelhoff及其同事在《自然》雜志上描述了他們的工作。Solgaard，Niedermeyer及其同事描述了他們在arXiv上的工作。