Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã sử dụng thành công thiết bị nano để tăng tốc electron. Máy gia tốc hạt là công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực bao gồm công nghiệp, nghiên cứu và y học. Không gian cần thiết cho những chiếc máy này dao động từ vài mét vuông đến các trung tâm nghiên cứu lớn. Sử dụng tia laser để tăng tốc electron trong cấu trúc nano quang tử là một giải pháp thay thế vi mô có khả năng giảm đáng kể chi phí và cho phép các thiết bị nhỏ hơn đáng kể.
Cho đến nay, không có bằng chứng nào cho thấy phương pháp này có thể làm tăng đáng kể năng lượng. Nói cách khác, người ta chưa chứng minh được rằng tốc độ của electron thực sự đã tăng lên đáng kể. Giờ đây, một nhóm các nhà vật lý laser từ Đại học Friedrich-Alexander-Nuremberg (FAU), cùng với các đồng nghiệp từ Đại học Stanford, đã trình diễn thành công máy gia tốc electron nanophotonic đầu tiên.
Máy gia tốc hạt và sự tiến hóa nanophoton của chúng
TAGPH 61Khi mọi người nghe thấy "máy gia tốc hạt", hầu hết mọi người có thể nghĩ đến Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN ở Geneva. Đường hầm tròn dài 27 km này được các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới sử dụng để nghiên cứu các hạt cơ bản chưa biết. Tuy nhiên, máy gia tốc hạt khổng lồ này là một ngoại lệ. Chúng ta có nhiều khả năng gặp phải chúng ở những nơi khác trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như trong quá trình chụp ảnh y tế hoặc xạ trị khối u. Tuy nhiên, ngay cả như vậy, những thiết bị này vẫn có kích thước vài mét, khá cồng kềnh và còn nhiều điều chưa được mong đợi về mặt hiệu năng.Để cải thiện và giảm kích thước của thiết bị hiện có, các nhà vật lý trên khắp thế giới đang nghiên cứu máy gia tốc laser điện môi, còn được gọi là máy gia tốc nanophoton. Cấu trúc họ sử dụng chỉ dài 0,5 mm và kênh mà các electron được gia tốc chỉ rộng khoảng 225 nanomet, khiến những máy gia tốc này nhỏ như chip máy tính. Các hạt
được gia tốc bằng các xung laser cực ngắn chiếu sáng các cấu trúc nano. Tiến sĩ Tomáš Chlouba, một trong bốn tác giả chính của bài báo được xuất bản gần đây, giải thích: “Ứng dụng mơ ước của chúng tôi là gắn máy gia tốc hạt vào ống nội soi để có thể đưa liệu pháp xạ trị trực tiếp đến các bộ phận bị ảnh hưởng của cơ thể”.
Giấc mơ này là dành cho nhóm do Giáo sư Peter Hommelhoff dẫn đầu và Tiến sĩ Tomáš Chlouba, Tiến sĩ Roy Shiloh, Stefanie Kra. Giấc mơ này có thể vẫn nằm ngoài tầm với của nhóm FAU từ Khoa Vật lý Laser, bao gồm Leon Brückner và Julian Litzel, nhưng giờ đây họ đã cố gắng thực hiện một bước quyết định đúng hướng bằng cách trình diễn máy gia tốc electron nanophotonic. Tiến sĩ Roy Shiloh hào hứng nói: "Lần đầu tiên, chúng ta thực sự có thể triển khai máy gia tốc hạt trên một con chip."
Các electron dẫn hướng + gia tốc = máy gia tốc hạt
Chỉ hơn hai năm trước, nhóm nghiên cứu đã đạt được bước đột phá lớn đầu tiên: họ đã sử dụng thành công phương pháp lấy nét pha xen kẽ (APF) từ lý thuyết gia tốc sớm để kiểm soát dòng điện tử ở khoảng cách xa trong kênh chân không. Đây là một bước quan trọng trên con đường xây dựng máy gia tốc hạt. Bây giờ, tất cả những gì bạn cần để có được nhiều sức mạnh là khả năng tăng tốc.
Stephanie Krause giải thích: "Với kỹ thuật này, giờ đây chúng tôi không chỉ thành công trong việc dẫn hướng các electron mà còn tăng tốc chúng trong các cấu trúc chế tạo nano này, có chiều dài lên tới nửa milimet. Mặc dù điều này nghe có vẻ không phải là một thành tựu lớn đối với nhiều người nhưng đó là một thành công lớn trong lĩnh vực vật lý máy gia tốc và chúng tôi đã đạt được năng lượng 12 kiloelectronvolt", Leon giải thích Bruckner.
Để tăng tốc các hạt đến khoảng cách lớn như vậy (từ thang đo nanomet), các nhà vật lý tại FAU đã kết hợp phương pháp APF với hình học hình trụ được phát triển đặc biệt.
Tuy nhiên, phần trình diễn này chỉ là bước khởi đầu. Mục tiêu bây giờ là tăng mức tăng năng lượng và dòng điện tử để máy gia tốc hạt trên chip đủ dùng cho các ứng dụng y tế. Để làm được điều này, mức tăng năng lượng phải tăng lên khoảng 100 lần. Tomáš Chlouba giải thích điều gì sẽ xảy ra tiếp theo đối với các nhà vật lý laser FAU.
Kết quả của các nhà vật lý laser Erlangen đã được các đồng nghiệp của họ tại Đại học Stanford ở Hoa Kỳ trình bày gần như đồng thời: kết quả của họ hiện đang được xem xét nhưng có thể xem trong kho lưu trữ. Trong một dự án do Quỹ Gordon và Betty Moore tài trợ, hai nhóm đang hợp tác để triển khai một "máy gia tốc trên chip".
"Vào năm 2015, nhóm ACHIP do FAU và Stanford lãnh đạo đã có tầm nhìn về một cách tiếp cận mang tính cách mạng đối với thiết kế máy gia tốc hạt", Tiến sĩ Gary Greenberg thuộc Quỹ Gordon và Betty Moore cho biết. "Chúng tôi rất vui vì sự hỗ trợ của chúng tôi đã giúp biến tầm nhìn này thành hiện thực."