En la ladera de una colina sobre la Universidad de Stanford, el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC opera un instrumento científico de casi 2 millas de largo. En este acelerador gigante, una corriente de electrones fluye a través de una tubería de vacío, a medida que las ráfagas de radiación de microondas empujan a las partículas hacia adelante cada vez más rápido hasta que su velocidad se aproxima a la velocidad de la luz, creando un poderoso rayo que los científicos de todo el mundo utilizan para sondear las estructuras atómicas y moleculares de materiales inorgánicos y biológicos.

Ahora, por primera vez, Los científicos de Stanford y SLAC han creado un chip de silicio que puede acelerar los electrones, aunque a una fracción de la velocidad de ese enorme instrumento, utilizando un láser infrarrojo para enviar, en menos del ancho de un cabello, el tipo de impulso de energía que necesita microondas muchos pies.

Escribiendo en la edición del 3 de enero de Ciencias , un equipo dirigido por la ingeniera eléctrica Jelena Vuckovic explicó cómo esculpieron un canal a nanoescala de silicio, lo selló en el vacío y envió electrones a través de esta cavidad, mientras que los pulsos de luz infrarroja, a los que el silicio es tan transparente como el vidrio a la luz visible, fueron transmitidos por las paredes del canal para acelerar el paso de los electrones.

El acelerador en un chip demostrado en Ciencias es solo un prototipo, pero Vuckovic dijo que sus técnicas de diseño y fabricación se pueden ampliar para entregar haces de partículas lo suficientemente acelerados como para realizar experimentos de vanguardia en química, ciencia de materiales y descubrimiento biológico que no requieren el poder de un acelerador masivo.

"Los aceleradores más grandes son como potentes telescopios. Hay solo unos pocos en el mundo y los científicos deben venir a lugares como SLAC para usarlos, ", Dijo Vuckovic." Queremos miniaturizar la tecnología del acelerador de una manera que la convierta en una herramienta de investigación más accesible ".

Los miembros del equipo comparan su enfoque con la forma en que la informática evolucionó desde el mainframe hasta la PC más pequeña pero útil. La tecnología de acelerador en un chip también podría conducir a nuevas terapias de radiación contra el cáncer, dijo el físico Robert Byer, un coautor de la Ciencias papel. De nuevo, es una cuestión de tamaño. Hoy dia, Las máquinas de rayos X médicos llenan una habitación y emiten un haz de radiación que es difícil de enfocar en los tumores. requiriendo que los pacientes usen protectores de plomo para minimizar los daños colaterales.

"En este artículo comenzamos a mostrar cómo podría ser posible administrar radiación de haz de electrones directamente a un tumor, dejando el tejido sano intacto, "dijo Byer, que lidera el programa Accelerator on a Chip International, o ACHIP, un esfuerzo más amplio del que forma parte esta investigación actual.

Diseño inverso

En su papel Vuckovic y el estudiante de posgrado Neil Sapra, el primer autor, explicar cómo el equipo construyó un chip que dispara pulsos de luz infrarroja a través del silicio para golpear los electrones en el momento justo, y solo el ángulo correcto, para hacerlos avanzar un poco más rápido que antes.

Para lograr esto, dieron vuelta el proceso de diseño. En un acelerador tradicional, como el de SLAC, Los ingenieros generalmente redactan un diseño básico, luego, ejecute simulaciones para organizar físicamente las ráfagas de microondas para ofrecer la mayor aceleración posible. Pero las microondas miden 4 pulgadas de pico a valle, mientras que la luz infrarroja tiene una longitud de onda de una décima parte del ancho de un cabello humano. Esa diferencia explica por qué la luz infrarroja puede acelerar los electrones en distancias tan cortas en comparación con las microondas. Pero esto también significa que las características físicas del chip deben ser 100, 000 veces más pequeño que las estructuras de cobre en un acelerador tradicional. Esto exige un nuevo enfoque de la ingeniería basado en fotónica y litografía integradas en silicio.

El equipo de Vuckovic resolvió el problema utilizando algoritmos de diseño inverso que ha desarrollado su laboratorio. Estos algoritmos permitieron a los investigadores trabajar hacia atrás, especificando cuánta energía luminosa querían que entregara el chip, y encargar al software que sugiera cómo construir las estructuras a nanoescala adecuadas necesarias para que los fotones entren en contacto adecuado con el flujo de electrones.

"Algunas veces, Los diseños inversos pueden producir soluciones en las que un ingeniero humano podría no haber pensado, "dijo R. Joel England, un científico del personal de SLAC y coautor del Ciencias papel.

El algoritmo de diseño creó un diseño de chip que parece casi de otro mundo. Imagina mesas a nanoescala, separados por un canal, grabado en silicio. Los electrones que fluyen a través del canal corren un gantlet de cables de silicio, hurgando a través de la pared del cañón en lugares estratégicos. Cada vez que el láser pulsa, lo que hace 100, 000 veces por segundo:una ráfaga de fotones golpea un montón de electrones, acelerándolos hacia adelante. Todo esto ocurre en menos del ancho de un cabello, en la superficie de un chip de silicona sellado al vacío, hecho por miembros del equipo en Stanford.

Los investigadores quieren acelerar los electrones al 94 por ciento de la velocidad de la luz, o 1 millón de electronvoltios (1MeV), para crear un flujo de partículas lo suficientemente potente para fines médicos o de investigación. Este chip prototipo proporciona solo una etapa de aceleración, y el flujo de electrones tendría que pasar alrededor de 1, 000 de estas etapas para alcanzar 1MeV. Pero eso no es tan abrumador como parece, dijo Vuckovic, porque este prototipo de acelerador en un chip es un circuito totalmente integrado. Eso significa que todas las funciones críticas necesarias para crear aceleración están integradas en el chip, y aumentar sus capacidades debería ser razonablemente sencillo.

Los investigadores planean empaquetar mil etapas de aceleración en aproximadamente una pulgada de espacio de chip para fines de 2020 para alcanzar su objetivo de 1MeV. Aunque eso sería un hito importante, tal dispositivo aún palidecería en poder junto con las capacidades del acelerador de investigación SLAC, que puede generar niveles de energía 30, 000 veces mayor que 1MeV. Pero Byer cree que, así como los transistores eventualmente reemplazaron los tubos de vacío en la electrónica, Los dispositivos basados ​​en la luz algún día desafiarán las capacidades de los aceleradores impulsados ​​por microondas.

Mientras tanto, en previsión del desarrollo de un acelerador de 1MeV en un chip, ingeniero eléctrico Olav Solgaard, un coautor del artículo, ya ha comenzado a trabajar en una posible aplicación para combatir el cáncer. Hoy dia, Los electrones de alta energía no se utilizan para la radioterapia porque quemarían la piel. Solgaard está trabajando en una forma de canalizar electrones de alta energía desde un acelerador del tamaño de un chip a través de un tubo de vacío similar a un catéter que podría insertarse debajo de la piel. justo al lado de un tumor, utilizando el haz de partículas para administrar radioterapia quirúrgicamente.

"Podemos obtener beneficios médicos de la miniaturización de la tecnología de aceleradores además de las aplicaciones de investigación, "Dijo Solgaard.