Los ingenieros eléctricos del grupo de física de aceleradores de TU Darmstadt han desarrollado un diseño para un acelerador de electrones impulsado por láser tan pequeño que podría producirse en un chip de silicio. Sería económico y con múltiples aplicaciones. El diseño, que ha sido publicado en Cartas de revisión física , ahora se está realizando como parte de una colaboración internacional.

Los aceleradores de partículas suelen ser grandes y costosos, pero eso cambiará pronto si los investigadores se salen con la suya. El programa internacional Accelerator on a Chip (AChIP), financiado por la Fundación Gordon y Betty Moore en los EE. UU., tiene como objetivo crear un acelerador de electrones en un chip de silicio. La idea fundamental es reemplazar las piezas del acelerador de metal por vidrio o silicio, y utilizar un láser en lugar de un generador de microondas como fuente de energía. Debido a la mayor capacidad de carga del campo eléctrico del vidrio, la tasa de aceleración se puede aumentar y, por lo tanto, se puede transmitir la misma cantidad de energía a las partículas en un espacio más corto, haciendo que el acelerador sea más corto en un factor de aproximadamente 10 que los aceleradores tradicionales que entregan la misma energía.

Uno de los desafíos aquí es que el canal de vacío para los electrones en un chip debe hacerse muy pequeño, lo que requiere que el haz de electrones esté extremadamente enfocado. Los canales de enfoque magnético utilizados en los aceleradores convencionales son demasiado débiles para esto. Esto significa que se debe desarrollar un método de enfoque completamente nuevo para que el acelerador de un chip se convierta en realidad.

Como parte del área de perfil Ciencia de la materia y la radiación de TU Darmstadt, el grupo AChIP en física de aceleradores (Facultad de Ingeniería Eléctrica y Tecnología de la Información en TU Darmstadt), dirigido por el científico junior Dr. Uwe Niedermayer, Recientemente propuso una solución decisiva que requiere usar los propios campos láser para enfocar los electrones en un canal de solo 420 nanómetros de ancho. El concepto se basa en cambios abruptos en la fase de los electrones en relación con el láser, dando como resultado un enfoque y desenfoque alternos en las dos direcciones en el plano de la superficie del chip. Esto crea estabilidad en ambas direcciones. El concepto se puede comparar con una pelota en una silla de montar:la pelota caerá, independientemente de la dirección en la que se incline el sillín. Sin embargo, girar el sillín continuamente significa que la bola permanecerá estable en el sillín. Los electrones en el canal del chip hacen lo mismo.

Perpendicular a la superficie del chip, un enfoque más débil es suficiente, y se puede utilizar un único imán cuadrupolo que abarque todo el chip. Este concepto es similar al de un acelerador lineal convencional. Sin embargo, para un acelerador en un chip, la dinámica de los electrones se ha modificado para crear un diseño bidimensional que se puede realizar utilizando técnicas litográficas de la industria de los semiconductores.

Niedermayer es actualmente científico visitante en la Universidad de Stanford; la universidad estadounidense lidera el programa AChIP junto con la Universidad de Erlangen en Alemania. En Stanford, está colaborando con otros científicos de AChIP con el objetivo de crear un acelerador en un chip en una cámara experimental del tamaño de una caja de zapatos. Un sistema disponible comercialmente, adaptado mediante complicadas ópticas no lineales, se utiliza como fuente láser. El objetivo del programa AChIP, que tiene financiación hasta 2020, es producir electrones con un megaelectronvoltio de energía del chip. Esto es aproximadamente igual al voltaje eléctrico de un millón de baterías. Un objetivo adicional es crear ultracortos ( <10 ^-15 segundos) pulsos de electrones, como lo requiere el diseño de un acelerador escalable en un chip desarrollado en Darmstadt.

Aplicaciones en la industria y la medicina

Las posibles aplicaciones de un acelerador como este serían en la industria y la medicina. Un objetivo importante a largo plazo es crear una fuente de haz de rayos X coherente y compacta para la caracterización de materiales. Un ejemplo de una aplicación médica sería un endoscopio acelerador que podría usarse para irradiar tumores en las profundidades del cuerpo con electrones.

Una ventaja particular de esta nueva tecnología de aceleración es que los chips se pueden producir a bajo costo en grandes cantidades, lo que significaría que el acelerador estaría al alcance del hombre de la calle y cada universidad podría permitirse su propio laboratorio de aceleradores. Oportunidades adicionales incluirían el uso de fuentes de rayos X coherentes y económicas en procesos fotolitográficos en la industria de semiconductores, lo que haría posible una reducción en el tamaño del transistor en los procesadores de computadora, junto con un mayor grado de densidad de integración.