2月27日消息，斯坦福大学的研究人员越来越接近于建立一个基于“芯片加速器”技术的微型电子加速器，在研究物理学以及医疗和工业用途方面具有广泛的潜在应用。

研究人员已经证明，硅介电激光加速器现在可以加速和限制电子，从而产生聚焦的高能电子束。“如果电子是微观汽车，就好像我们第一次转向，我们踩在油门上，”23岁的电气工程博士佩顿·布罗德斯说，他是2月23日发表在《物理评论快报》上的一篇论文的主要作者，详细介绍了这一突破。

加速器产生高能粒子束，使物理学家能够研究材料的性质，为医疗应用生产聚焦探针，并确定构成宇宙中所有物质的基本组成部分。一些最早的高能粒子加速器是在1930年代开发的，可以放在桌面上。

但是研究更先进的物理学需要更高的粒子能量，因此科学家需要建立更大的系统。1966年通电，斯坦福大学校园SLAC国家加速器实验室的原始直线加速器隧道长近2英里。

虽然这些系统在粒子物理学中取得了许多发现，但Broaddus的动机是建造一个微型直线加速器，最终可以与机器的能力相媲美，而成本只是其尺寸的一小部分。

这也将允许在医学上的新应用，例如能够将该装置连接到小型探针上，并精确地向肿瘤发射电子束。“有能力用更便宜、更小的东西完全取代其他所有粒子加速器，”他说。

由于纳米级制造和激光的进步，这一愿景越来越有可能，Edward L. Ginzton实验室主任，工程学院Robert L.和Audrey S. Hancock教授，该论文的资深作者Olav Solgaard说。

传统的射频加速器由铜腔组成，这些铜腔被无线电波泵浦，从而为粒子提供能量提升。这些脉冲可以加热金属，因此空腔需要以较低的能量和脉冲速率运行，以散热并避免熔化。

但是玻璃和硅结构可以在不加热的情况下处理来自激光的更高能量脉冲，因此它们可以更强大，同时也更小。大约10年前，斯坦福大学的研究人员开始试验由这些材料制成的纳米级结构。

2013年，由论文合著者、William R. Kenan 名誉教授Robert Byer领导的一个团队证明，一个带有脉冲红外光的微型玻璃加速器成功地加速了电子。这些结果导致戈登和贝蒂摩尔基金会在芯片加速器国际合作下采用该项目，以生产鞋盒大小的兆电子伏特加速器。

但是，这个第一个“芯片上的加速器”仍然有一些问题需要解决。正如布罗德斯所说，里面的电子就像没有方向盘的狭窄道路上的汽车。它们可以非常快速地加速，但同样容易撞到墙上。

现在，斯坦福大学的这个研究小组已经成功地证明他们也可以在纳米尺度上操纵电子。为此，他们构建了一种硅结构，在真空系统中放置了一个亚微米通道。他们将电子注入一端，并用形状的激光脉冲从两侧照亮结构，从而产生动能。周期性地，激光场在聚焦和散焦特性之间翻转，将电子聚集在一起，防止它们偏离轨道。

总而言之，这种加速、散焦和聚焦链作用在电子上近一毫米的距离。这听起来可能并不遥远，但这些带电粒子得到了相当大的刺激，获得了 23.7 千电子伏特的能量，比它们的起始能量高出约 25%。该团队在他们的原型微型加速器中能够实现的加速率与传统的铜加速器相当，Broaddus补充说，更高的加速率是可能的。

虽然这是向前迈出的重要一步，但在这些小型加速器可用于工业、医学和研究之前，还需要做更多的工作。到目前为止，该团队操纵电子的能力仅限于二维空间;需要三维电子约束，以允许加速器足够长，以便发生更大的能量增益。

位于德国埃尔朗根的弗里德里希·亚历山大大学的一个姊妹研究小组最近展示了一种类似的设备，该装置具有单个激光器，并且起始能量要低得多。它和斯坦福的设备最终将成为一种电子中继竞赛的一部分，Broaddus说。

这个未来的继电器将有三个队友：FAU设备将接受低能电子并给予它们初始冲击，然后它们可以被送入类似于Broaddus正在开发的设备中。电子的最后一步将是玻璃制成的加速器，就像拜尔开发的加速器一样。与硅相比，玻璃可以承受更大的激光冲击，从而使加速器能够进一步激发并将电子推向光速。

最终，索尔加德相信这样一个微小的加速器将在高能物理学中发挥作用，探索构成宇宙的基本物质，就像它更大的同行一样。 “我们还有很长的路要走，”他说。但他仍然很乐观，并补充说，“我们已经迈出了最初的几步。