Нанофотонный ускоритель частиц: миниатюрный аналог Большого адронного коллайдера

Ускорители частиц — мощные инструменты для изучения физики элементарных частиц, космологии и материаловедения. Однако они занимают огромные площади и требуют больших затрат на строительство и эксплуатацию. Например, Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии имеет кольцевую форму длиной 27 км и стоит около 10 миллиардов долларов.


Существует ли способ создать компактный и дешевый ускоритель частиц, который бы не уступал по эффективности своим гигантским собратьям? Ответ на этот вопрос пытаются найти немецкие физики из Университета Эрлангена-Нюрнберга имени Фридриха-Александра (FAU). Они разработали и испытали первый в мире нанофотонный ускоритель электронов (NEA), который умещается на поверхности мелкой монетки.

Как работает нанофотонный ускоритель частиц?

Устройство, использует световые волны для передачи энергии электронам. Он состоит из двух основных элементов: микрочипа и вакуумной трубки. Микрочип генерирует короткие лазерные импульсы, которые направляются на вакуумную трубку. Вакуумная трубка — это тонкая полая структура, состоящая из тысяч отдельных «наностолбиков» из силикона. Каждый наностолбик имеет диаметр около 225 нанометров (в 400 раз меньше, чем толщина человеческого волоса) и высоту около 1,5 микрометра. Наностолбики расположены таким образом, что образуют периодическую решетку, которая служит как оптический резонатор.

Когда лазерный импульс попадает на решетку, он возбуждает колебания электромагнитного поля внутри трубки. Это поле создает электрическое напряжение, которое действует на электроны, находящиеся в трубке. Электроны начинают двигаться в направлении лазерного импульса, увеличивая свою скорость и энергию. Таким образом, электроны ускоряются за счет световой волны.

Новое устройство имеет ряд преимуществ перед традиционными ускорителями частиц. Во-первых, оно значительно меньше по размерам и весу. Длина главной ускорительной трубки составляет примерно 0,5 мм, что в 54 млн раз меньше кольца БАК. Вес устройства не превышает нескольких граммов, в то время как БАК весит около 40 тысяч тонн. Во-вторых, прибор значительно дешевле по стоимости. Для его изготовления используются стандартные технологии микроэлектроники, которые широко применяются в современной промышленности. Стоимость одного ускорителя оценивается в несколько долларов. В-третьих, он более эффективен по энергопотреблению. Для его работы достаточно небольшого лазера, который потребляет около 1 ватта мощности, в то время как БАК потребляет около 200 мегаватт.

Нанофотонный ускоритель частиц — новаторский проект, который открывает новые возможности для науки и технологии. Он может быть использован для различных целей, таких как:

- Изучение физики элементарных частиц. Устройство может генерировать высокоэнергетические электроны, которые могут сталкиваться с другими частицами и создавать новые виды материи. Это может помочь физикам открыть новые законы природы и разгадать тайны Вселенной.
- Создание синхротронного излучения. Ускоритель способен генерировать синхротронное излучение — интенсивный свет с широким спектром длин волн. Излучение может быть использовано для исследования структуры и свойств различных материалов, таких как биомолекулы, наночастицы, кристаллы и т.д.
- Развитие лучевой терапии. Нанофотонный ускоритель может производить электроны с высокой энергией, которые могут проникать в глубокие слои тканей и уничтожать раковые клетки. Это может быть альтернативой традиционной лучевой терапии, которая использует рентгеновские лучи или протоны.

Немецкие физики показали, что их ускоритель частиц работает на практике и может ускорять электроны с 28,4 до 40,7 килоэлектронвольт за один проход. Это первый случай успешного запуска такого устройства в мире. Однако они признают, что им еще предстоит решить ряд технических проблем, таких как повышение энергии и стабильности электронного пучка, уменьшение потерь света и тепла, интеграция нескольких ускорителей в один комплекс.

Эти задачи требуют дальнейшего развития теории и экспериментов, а также совершенствования технологии изготовления наноструктур. Несмотря на эти сложности, физики уверены, что нанофотонный ускоритель частиц имеет большой потенциал и перспективы для научных и практических применений. Информация о разработке опубликована в журнале Nature.