Los investigadores de Stanford están cada vez más cerca de construir un pequeño acelerador de electrones basado en la tecnología de "acelerador en un chip" con amplias aplicaciones potenciales en el estudio de la física, así como en usos médicos e industriales.
Los investigadores han demostrado que un acelerador láser dieléctrico de silicio, o DLA, ahora puede acelerar y confinar electrones, creando un haz enfocado de electrones de alta energía. "Si los electrones fueran automóviles microscópicos, sería como si, por primera vez, tuviéramos el volante y tuviéramos el pie en el acelerador", dijo Payton Broaddus, Ph.D. '23 en ingeniería eléctrica y autor principal de un artículo publicado en Physical Review Letters el 23 de febrero detallando el avance.
Los aceleradores producen haces de partículas de alta energía que permiten a los físicos estudiar las propiedades de los materiales, producir sondas enfocadas para aplicaciones médicas e identificar los componentes elementales que componen toda la materia del universo. Algunos de los primeros aceleradores de partículas de alta energía, desarrollados en la década de 1930, podían caber sobre una mesa.
Pero se necesitaban energías de partículas más altas para estudiar física más avanzada, por lo que los científicos necesitaban construir sistemas más grandes. (El túnel del acelerador lineal original, iniciado en 1966, en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en el campus de Stanford, tiene casi 2 millas de largo).
Si bien estos sistemas han hecho posibles numerosos descubrimientos en física de partículas, Broaddus está motivado para construir un pequeño acelerador lineal que eventualmente podría rivalizar con las capacidades de máquinas mil veces más grandes, a una fracción del costo.
Esto también permitiría nuevas aplicaciones en medicina, como poder conectar este dispositivo a una pequeña sonda y disparar con precisión un haz de electrones a un tumor. "Existe la posibilidad de sustituir completamente cualquier otro acelerador de partículas por algo que sea más barato y más pequeño", afirmó.
Gracias a los avances en la fabricación a nanoescala y los láseres, esta visión es cada vez más posible, dijo Olav Solgaard, director del Laboratorio Edward L. Ginzton y profesor Robert L. y Audrey S. Hancock en la Escuela de Ingeniería y autor principal de el papel.
Los aceleradores de radiofrecuencia tradicionales están formados por cavidades de cobre que se bombean con ondas de radio, que dan a las partículas un impulso de energía. Estos pulsos pueden calentar el metal, por lo que las cavidades deben funcionar con energía y frecuencias de pulso más bajas para disipar el calor y evitar que se derrita.
Pero las estructuras de vidrio y silicio pueden soportar pulsos de energía láser mucho más altos sin calentarse, por lo que pueden ser mucho más potentes y al mismo tiempo más pequeños. Hace unos 10 años, los investigadores de Stanford comenzaron a experimentar con estructuras de tamaño nanométrico hechas de estos materiales.
En 2013, un equipo dirigido por el coautor del artículo, Robert Byer, profesor emérito William R. Kenan, Jr., demostró que un pequeño acelerador de vidrio con luz infrarroja pulsante había acelerado electrones con éxito. Estos resultados llevaron a que la Fundación Gordon y Betty Moore adoptara el proyecto en el marco de la colaboración internacional Accelerator on a Chip (ACHIP) para producir un acelerador de megaelectrones-voltios del tamaño de una caja de zapatos.
Pero este primer "acelerador en un chip" todavía tenía algunos problemas que resolver. Como dice Broaddus, los electrones del interior eran como coches en una carretera estrecha sin volante. Podrían acelerar muy rápidamente pero con la misma facilidad chocarían contra una pared.
Ahora, este equipo de investigadores de Stanford ha demostrado con éxito que también pueden dirigir electrones a nanoescala. Para ello, construyeron una estructura de silicio con un canal submicrónico colocado en un sistema de vacío. Inyectaron electrones en un extremo e iluminaron la estructura desde ambos lados con un pulso láser moldeado que generaba impulsos de energía cinética. Periódicamente, los campos láser cambiaban entre propiedades de enfoque y desenfoque, lo que agrupaba los electrones y evitaba que se desviaran del camino.
En total, esta cadena de aceleración, desenfoque y enfoque actuaba sobre los electrones a lo largo de una distancia de casi un milímetro. Puede que no parezca muy lejos, pero estas partículas cargadas obtuvieron un gran efecto, ganando 23,7 kiloelectrones-voltios de energía, aproximadamente un 25% más que su energía inicial. La tasa de aceleración que el equipo ha podido lograr en su prototipo de acelerador diminuto es comparable a la de los aceleradores de cobre convencionales, y Broaddus añade que son posibles tasas de aceleración mucho más altas.
Si bien es un importante paso adelante, aún queda mucho por hacer antes de que estos pequeños aceleradores puedan usarse en la industria, la medicina y la investigación. Hasta ahora, la capacidad del equipo para dirigir electrones se ha limitado a dos dimensiones; Será necesario un confinamiento tridimensional de electrones para permitir que el acelerador sea lo suficientemente largo como para que se produzcan mayores ganancias de energía.
Un grupo de investigación hermano de la Universidad Friedrich Alexander (FAU) en Erlangen, Alemania, demostró recientemente un dispositivo similar con un solo láser y que arranca con una energía inicial mucho menor. Este y el dispositivo de Stanford formarán en última instancia parte de una especie de carrera de relevos de electrones, afirmó Broaddus.
Este futuro relevo tendría tres compañeros de equipo:el dispositivo FAU tomaría electrones de baja energía y les daría una patada inicial, y luego podrían introducirse en un dispositivo similar al que está desarrollando Broaddus. El último paso para los electrones sería un acelerador de vidrio, como el desarrollado por Byer. El vidrio puede soportar golpes de láser aún mayores que el silicio, lo que permite que el acelerador se energice aún más y empuje los electrones hacia la velocidad de la luz.
Con el tiempo, Solgaard cree que un acelerador tan pequeño será útil en la física de altas energías, explorando la materia fundamental que constituye el universo tal como lo hacen sus homólogos más grandes. "Tenemos un camino muy, muy largo por recorrer", afirmó. Pero sigue siendo optimista y añade que "hemos dado los primeros pasos".
Más información: Payton Broaddus et al, Aceleradores láser dieléctricos de enfoque de fase alterna subrelativista, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.085001
Proporcionado por la Universidad de Stanford
