介電激光加速 (DLA) 就是這樣一種強大的技術。在這種方法中，粒子的加速是在光學近場中進行的。當超短激光脈沖集中在納米光子結構上時，就會發生這種情況。
使用這種技術，來自弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學 (FAU)激光物理學主席的科學家們已經成功地通過真空通道引導電子，這是粒子加速器的一個重要組成部分。
光子納米結構通道的總體設計是由達姆施塔特工業大學的研究合作伙伴開發的。他們最近在《自然》雜志上報告了他們的綜合發現。
保持專注
由于帶電粒子在分散時傾向于遠離彼此，因此所有加速器技術都必須應對將粒子保持在必要的時間和空間邊界內的挑戰。因此，粒子加速器的長度可達 10 公里，除涉及巨額投資外，還需要多年的準備和建造才能投入使用。
DLA 使用超快激光技術并在半導體生產方面取得進展，有可能將這些加速器的尺寸縮小到幾毫米或幾厘米。
一種有前途的方法：實驗已經表明，DLA 至少比目前使用的技術高出 35 倍。這意味著預期加速器的長度可以通過相同的系數最小化。然而，到目前為止，這些數字是否可以擴展到越來越長的結構還不清楚。
由 FAU 激光物理學主席 Peter Hommelhoff 教授領導的物理學家團隊朝著將 DLA 應用于全功能加速器的方向邁出了一大步。他們的實驗是第一個創建可用于長距離引導電子脈沖的方案。
技術是關鍵
該系統被稱為“交替相位聚焦”(APF)，是一種源自加速器理論初期的技術。物理學的基本定律意味著同時在所有三個維度(高度、寬度和深度)集中帶電粒子是不可能的。
然而，這可以通過在不同維度上交替聚焦電子來克服。首先，電子使用調制激光束聚焦，然后它們通過另一個短通道“漂移”，在那里沒有力影響它們，最后它們被加速，這允許它們被引導向前。
在他們的實驗中，來自 FAU 和 TU Darmstadt 的研究人員將橢圓柱柱廊與短間隙以穩定的間隔組合在一起，從而產生重復的宏細胞。基于電子、入射激光和形成漂移部分的間隙之間的延遲，每個宏單元對粒子具有聚焦或散焦影響。
這種安排允許在光學或飛秒超時間尺度(飛秒匹配百萬分之一秒)的精確電子相空間控制。
在本實驗中，將激光照射在結構上顯示通過該結構的束電流增加。如果不使用激光，電子將無法被引導并緩慢撞擊通道壁。
FAU研究合著者和物理學家約翰內斯·伊爾默 (Johannes Illmer)：這非常令人興奮。相比之下，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機在 2450 米長的曲線中使用了 23 個這樣的單元。我們的納米結構在 80 微米內使用了五個類似作用的細胞。
什么時候可以期待第一個 DLA 加速器?
FAU 激光物理學主席 Roy Shiloh 博士：結果非常重要，但對我們來說，這實際上只是一個過渡步驟。我們的最終目標很明確：我們希望在微芯片上創建一個全功能的加速器。
研究人員已在《自然》雜志上報告了他們的結果。該研究得到了 Gordon 和 Betty Moore 基金會 (#GBMF4744)、ERC 項目 NearFieldAtto (#616823) 和 AccelOnChip (#884217) 以及 BMBF 項目 05K19WEB 和 05K19RDE 的資助。
期刊參考：Shiloh, R.等人。(2021) 基于光子芯片的粒子加速中的電子相空間控制。自然。doi.org/10.1038/s41586-021-03812-9。
