Zbulohet përshpejtuesi i parë miniaturë i grimcave në botë

Studiuesit arritën për herë të parë të përshpejtojnë elektronet duke përdorur një pajisje nano.
Përshpejtuesit e grimcave janë mjete thelbësore në një gamë të gjerë fushash në industri, kërkime dhe sektorin mjekësor. Hapësira që kërkojnë këto makina varion nga disa metra katrorë deri në qendrat e mëdha kërkimore. Përdorimi i lazerëve për të përshpejtuar elektronet brenda një nanostrukture fotonike përbën një alternativë mikroskopike me potencialin për të gjeneruar kosto dukshëm më të ulëta dhe duke i bërë pajisjet dukshëm më pak të mëdha.

Deri më tani, nuk janë demonstruar përfitime të konsiderueshme të energjisë. Me fjalë të tjera, nuk është treguar se elektronet me të vërtetë janë rritur ndjeshëm në shpejtësi. Një ekip fizikantësh lazer në Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) tani ka arritur të demonstrojë përshpejtuesin e parë nanofotonik të elektroneve – në të njëjtën kohë me kolegët nga Universiteti Stanford.

Kur njerëzit dëgjojnë “përshpejtuesin e grimcave”, shumica me siguri do të mendojnë për Përplasësin e Madh të Hadronit të CERN -it në Gjenevë, tunelin në formë unaze rreth 27 kilometra të gjatë që studiuesit nga e gjithë globi e përdorën për të kryer kërkime në grimca elementare të panjohura. Sidoqoftë, përshpejtuesit e tillë të mëdhenj të grimcave janë përjashtim. Ne kemi më shumë gjasa t’i hasim ato në vende të tjera në jetën tonë të përditshme, për shembull në procedurat e imazhit mjekësor ose gjatë rrezatimit për trajtimin e tumoreve. Edhe atëherë, megjithatë, pajisjet janë disa metra në madhësi dhe ende mjaft të mëdha, me hapësirë ​​për përmirësim në aspektin e performancës.

Në një përpjekje për të përmirësuar dhe zvogëluar madhësinë e pajisjeve ekzistuese, fizikanët anembanë globit po punojnë në përshpejtimin me lazer dielektrik, të njohur gjithashtu si përshpejtuesit nanofotonikë. Strukturat që ata përdorin janë vetëm 0,5 milimetra në gjatësi dhe kanali nëpër të cilin përshpejtohen elektronet është vetëm afërsisht 225 nanometra në gjerësi, duke i bërë këta përshpejtues të vegjël sa një çip kompjuteri.

Grimcat përshpejtohen nga impulse lazer ultrashkurtër që ndriçojnë nanostrukturat. “Aplikimi i ëndrrave do të ishte vendosja e një përshpejtuesi të grimcave në një endoskop në mënyrë që të jetë në gjendje të administrojë radioterapi direkt në zonën e prekur brenda trupit”, shpjegon Dr. Tomáš Chlouba, një nga katër autorët kryesorë të punimit të botuar së fundmi.

Kjo ëndërr mund të jetë ende shumë përtej zotërimit të ekipit të FAU nga Katedra e Fizikës Laserike e drejtuar nga Prof. Dr. Peter Hommelhoff dhe e përbërë nga Dr. Tomáš Chlouba, Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner dhe Julian Litzel, por tani ata kanë arritur të ndërmarrin një hap vendimtar në drejtimin e duhur duke demonstruar përshpejtuesin e elektroneve nanofotonike. “Për herë të parë, ne me të vërtetë mund të flasim për një përshpejtues grimcash në një çip,” entuziazmon Dr. Roy Shiloh.

Pak më shumë se dy vjet më parë ekipi bëri përparimin e tyre të parë të madh : ata ia dolën të përdorin metodën e fokusimit të fazës alternative (APF) që nga ditët e para të teorisë së nxitimit për të kontrolluar rrjedhën e elektroneve në një kanal vakumi në distanca të gjata. Ky ishte hapi i parë i madh në rrugën drejt ndërtimit të një përshpejtuesi të grimcave. Tani, gjithçka që duhej për të fituar sasi të mëdha energjie ishte përshpejtimi.

“Duke përdorur këtë teknikë, ne kemi arritur tani jo vetëm në drejtimin e elektroneve, por edhe në përshpejtimin e tyre në këto struktura të fabrikuara nano mbi një gjatësi prej gjysmë milimetri,” shpjegon Stefanie Kraus. Ndonëse kjo mund të mos tingëllojë si një arritje e madhe për shumë njerëz, është një sukses i madh për fushën e fizikës së përshpejtuesit. “Kemi fituar energji prej 12 kiloelektron volt. Kjo është një fitim 43 për qind në energji,” shpjegon Leon Brückner.

Për të përshpejtuar grimcat në distanca kaq të mëdha (kur shihen nga nanoshkalla ), fizikanët e FAU kombinuan metodën APF me strukturat gjeometrike të zhvilluara posaçërisht në formë shtylle.

Megjithatë, ky demonstrim është vetëm fillimi. Tani synimi është të rritet fitimi në energji dhe rrymë elektronike në atë masë që përshpejtuesi i grimcave në një çip të jetë i mjaftueshëm për aplikime në mjekësi. Që të jetë kështu, fitimi në energji duhet të rritet me një faktor prej afërsisht 100. “Për të arritur rryma më të larta elektronesh në energji më të larta në daljen e strukturës, do të duhet të zgjerojmë strukturat ose vendin disa kanale pranë njëri-tjetrit,” shpjegon Tomáš Chlouba hapat e ardhshëm të fizikantëve të lazerit FAU.

Ajo që ia dolën të bënin fizikantët e lazerit Erlangen u demonstrua pothuajse njëkohësisht nga kolegët në Universitetin Stanford në Shtetet e Bashkuara: Rezultatet e tyre janë aktualisht në shqyrtim, por mund të shihen në një depo. Të dy ekipet po punojnë së bashku për realizimin e “Përshpejtuesit në çip” në një projekt të financuar nga Fondacioni Gordon dhe Betty Moore.

“Në vitin 2015, ekipi ACHIP i udhëhequr nga FAU dhe Stanford kishte një vizion për një qasje revolucionare ndaj dizajnit të përshpejtuesit të grimcave,” tha Dr. ky vizion bëhet realitet.”