“在加速器中使用激光的想法可以追溯到 1960 年激光發(fā)明的那一年，”斯坦福大學研究員羅伯特·拜爾說，他從 1974 年就開始研究這個概念。激光產生的電磁波比波長短得多。全尺寸加速器中使用的微波，這意味著它們可以加速電子在更小的空間中移動。“這些設備的尺寸非常小，”拜爾說。例如，新加速器中的電子沿著一條大約千分之三毫米寬的通道行進——大約是人類紅細胞寬度的一半。
盡管激光驅動設備可以在比全尺寸加速器小得多的空間內加速電子，但它們也需要更高的精度以正確的方式排列激光和電子，因此光波將粒子推向正確的方向盡可能多的能量。“您不僅必須證明在這些非常小的結構中將激光與電子耦合的能力，而且還必須產生電子并讓它們也通過通道傳輸，”拜爾解釋說。2013年兩個研究小組，一個在斯坦福大學和其他美國機構 ，另一個在德國，獨立設法用激光加速電子。但是這些概念驗證原型需要單獨的設備來產生電子，而且使用現(xiàn)有技術很難批量制造。
然而，雕刻在硅上的激光驅動加速器更容易按比例放大，并且多個組件可能會安裝在同一個芯片上。Byer 與其他幾位研究人員合作，包括斯坦福大學電氣工程師 Jelena Vuckovic，以生產這樣的工具。“你必須設計的是以正確的方式引導光的結構，所以光總是會向正確的方向提供沖擊——所以粒子總是會加速，”Vuckovic 說。為了確定這種結構，她的學生 Neil Sapra 使用計算機來模擬不同模式如何與傳入的電磁波相互作用。一旦他們設計出盡可能多地加速電子的設計，并且始終朝著正確的方向進行，研究人員就將該加速器蝕刻到硅晶片中。
“這是一篇非常有前途的論文，”布魯克海文國家實驗室加速器測試設施主任馬克·帕爾默說，他沒有參與這項新研究。“我認為他們在展示我們如何開始設計這些結構并實際提出工作設備方面做得非常好，希望在不久的將來，”他補充道。
斯坦福大學的研究人員發(fā)現(xiàn)他們的原型可以成功地將電子能量提高 915 電子伏特。盡管按照日常標準，這種能量是微不足道的，但由于電子僅行進了百分之三毫米——相當于它們在一米的過程中獲得了大約 3000 萬電子伏特，因此發(fā)生了增加。這種變化不是像 SLAC 這樣的加速器所能提供的，它有很多米，可以為電子提供數百億電子伏特的能量。然而，與大型加速器相比，微型加速器可以更容易地擴大規(guī)模：因為它是在一個小硅片上蝕刻的，研究人員可以在未來的設計中安裝多個加速路徑，而無需增加體積。
“我們展示了加速器的單級，”Vuckovic 說。“在單個硅晶片上從這個單級擴展到 1,000 個級是非常簡單的。” 她估計，一個幾厘米長的芯片上可以容納 1,000 個級，并為電子注入一百萬電子伏特的能量，使它們能夠以大約 94% 的光速行進。這一成就足以讓研究人員進行一些目前需要訪問像 SLAC 這樣的加速器的實驗。具有這種能量的電子也有可能實現(xiàn)醫(yī)療應用，例如在不損害健康組織的情況下為癌癥患者提供有針對性的放射治療。“我們基本上可以制造具有非常緊密聚焦的電子束的儀器，并可以使用它來選擇性地靶向腫瘤，”Vuckovic 說。
帕爾默的估計更為保守，他猜測申請可能需要 10 年才能實現(xiàn)。然而，他對當時加速器對芯片的影響持樂觀態(tài)度。他說：“歸根結底，通過在這些小結構中[加速粒子]，你擁有的設備可以很容易地適應任何你需要在其中運行它們的環(huán)境，而不是擁有一個更大的粒子加速器，必須進入一個非常固定的足跡。”
