現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和SLAC的科學(xué)家們首次開發(fā)了一個(gè)能夠加速電子的硅芯片。盡管只能加速到大型儀器速度的百分之一，但它的長度還不到一根頭發(fā)的直徑，使用紅外激光推動(dòng)這些粒子加速，所達(dá)到的能量是微波推進(jìn)許多英尺才能達(dá)到的。
在出版的《科學(xué)》雜志中,電氣工程師葉連娜·弗科維克領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)解釋了他們?nèi)绾卧诠柚械窨碳{米通道，將其密封形成真空，并通過這個(gè)通道發(fā)送電子。硅對于紅外線是透明的，就像玻璃對可見光那樣，因此紅外線脈沖會(huì)透射過硅通道的壁，加速通道內(nèi)的電子。
在《科學(xué)》雜志上展示的芯片加速器只是一個(gè)原型，但弗科維克說，它的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)可以進(jìn)行規(guī)模化，直到能將粒子束加速到所需的速度，用于化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域中一些不需要大型加速器能量的前沿實(shí)驗(yàn)。
弗科維克說：“最大的加速器就像大型望遠(yuǎn)鏡。世界上只有幾個(gè)，科學(xué)家必須到類似SLAC的地方來使用它們。我們希望將加速器技術(shù)小型化，使其成為更容易獲得的研究工具。”
這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的成員將這種方法類比于計(jì)算機(jī)從大型機(jī)發(fā)展到較小但仍然有用的個(gè)人電腦。這篇論文的共同作者之一、物理學(xué)家羅伯特·拜爾說，芯片上的加速器技術(shù)也可能引領(lǐng)新的癌癥放射療法。再次強(qiáng)調(diào)，這是個(gè)尺寸問題。如今的醫(yī)用X光機(jī)有房間那么大，它發(fā)出的射線很難只聚焦在腫瘤上，因此需要患者穿上鉛衣防護(hù)服，將附帶損害降到最低。
“在這篇論文中，我們開始展示這種可能性，即將電子束輻射直接發(fā)射到腫瘤上，而不影響健康組織，”拜爾說道。他領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)芯片加速器國際項(xiàng)目(Accelerator on a Chip International Program)，或簡稱為ACHIP，目前的研究就是這個(gè)項(xiàng)目的一部分。
在這篇論文中，弗科維克和論文的第一作者，研究生尼爾·薩普拉解釋了他們的團(tuán)隊(duì)如何制造這種芯片，并發(fā)射紅外光脈沖，透過硅在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間以恰當(dāng)?shù)慕嵌绒Z擊電子，使電子不停地逐漸向前加速。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他們顛倒了設(shè)計(jì)過程。在傳統(tǒng)的加速器中，比如SLAC的加速器，工程師們通常會(huì)起草一個(gè)基本設(shè)計(jì)，然后運(yùn)行模擬計(jì)算來安排微波加速的實(shí)際位置，以提供最大的加速度。但是，微波從波峰到波谷約有10厘米，而紅外線的波長只有人類頭發(fā)的十分之一。這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外線可以在短得多的距離內(nèi)加速電子。但這也意味著該芯片的尺寸必須只有傳統(tǒng)銅結(jié)構(gòu)加速器的十萬分之一，這就需要一種基于硅集成光子學(xué)和光刻技術(shù)的工程新方法。
弗科維克團(tuán)隊(duì)使用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的反向設(shè)計(jì)算法解決了這個(gè)問題。這些算法允許研究人員逆向設(shè)計(jì)，通過具體設(shè)置他們希望芯片傳遞的光能，并讓軟件提出正確的納米尺度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議，使光子能恰當(dāng)?shù)亟佑|電子流。
“有時(shí)候，逆向設(shè)計(jì)可以得到人類工程師可能想不到的解決方案，”SLAC的在職科學(xué)家、這篇《科學(xué)》論文的共同作者R·喬爾·英格蘭說道。
這個(gè)設(shè)計(jì)算法提出了一個(gè)看起來幾乎不可思議的芯片布局。試想一個(gè)納米尺度的平臺(tái)，中間由一個(gè)通道隔開，并由硅蝕刻而成。電子在通道中流動(dòng)，就像一束由硅組成的線，在設(shè)計(jì)好的位置碰撞著流過通道。激光脈沖每秒發(fā)射10萬次，每一次發(fā)射時(shí)，一束光子撞擊一堆電子，使它們加速前進(jìn)。所有這些都發(fā)生在一個(gè)真空封裝的硅芯片表面，在不到一根頭發(fā)絲寬度的地方，這些由斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員制造。
研究人員希望將電子加速到光速的94%，即100萬電子伏特(1MeV)，從而產(chǎn)生足以用于研究或醫(yī)療目的的高能量粒子流。這種芯片原型只提供了一個(gè)加速階段，電子流必須通過大約1000個(gè)這樣的階段才能達(dá)到1MeV。但弗科維克說，這并不像聽起來那么可怕，因?yàn)檫@個(gè)芯片加速器原型是一個(gè)完全集成的電路。這意味著所有用來加速的關(guān)鍵功能都內(nèi)置在芯片中，提高它的加速能力應(yīng)該是相當(dāng)簡單的。
研究人員計(jì)劃在2020年年底前將1000個(gè)加速階段封裝到約1英寸的芯片空間，實(shí)現(xiàn)他們的1MeV目標(biāo)。盡管這將是一個(gè)重要的里程碑，但與SLAC研究加速器的能力相比，這種設(shè)備的功率仍然相形見絀。但是拜爾相信，就像晶體管最終取代了電子器件中的真空管一樣，基于光的芯片加速器總有一天會(huì)挑戰(zhàn)微波驅(qū)動(dòng)加速器的能力。
與此同時(shí)，在計(jì)劃開發(fā)1MeV芯片加速器的基礎(chǔ)上，該論文的作者之一、電氣工程師奧拉夫·索爾加德已經(jīng)開始研究一種可能的抗癌應(yīng)用。如今，高能量的電子不用于放射治療，因?yàn)樗鼈儠?huì)灼傷皮膚。索爾加德正在研究的方法，通過一根插入體內(nèi)的導(dǎo)管狀真空管，將芯片加速器中的高能電子導(dǎo)到腫瘤邊上，然后利用粒子束進(jìn)行手術(shù)放射治療。
索爾加德說：“除了研究應(yīng)用外，加速器技術(shù)的小型化還有益于醫(yī)療應(yīng)用。”
