En un avance que podría reducir drásticamente los aceleradores de partículas para la ciencia y la medicina, Los investigadores utilizaron un láser para acelerar los electrones a una velocidad 10 veces mayor que la tecnología convencional en un chip de vidrio nanoestructurado más pequeño que un grano de arroz.

El logro se informó hoy en Naturaleza por un equipo que incluye científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de Stanford.

"Todavía tenemos una serie de desafíos antes de que esta tecnología se vuelva práctica para su uso en el mundo real, pero eventualmente reduciría sustancialmente el tamaño y el costo de los futuros colisionadores de partículas de alta energía para explorar el mundo de las partículas y fuerzas fundamentales, "dijo Joel England, el físico de SLAC que dirigió los experimentos. "También podría ayudar a habilitar aceleradores compactos y dispositivos de rayos X para el escaneo de seguridad, terapia médica e imagenología, e investigación en biología y ciencia de los materiales ".

Debido a que emplea láseres comerciales y de bajo costo, técnicas de producción en masa, los investigadores creen que preparará el escenario para las nuevas generaciones de aceleradores de "mesa".

En todo su potencial, el nuevo "acelerador en un chip" podría igualar la potencia de aceleración del acelerador lineal de 2 millas de SLAC en solo 100 pies, y entregar un millón de pulsos de electrones más por segundo.

Esta demostración inicial logró un gradiente de aceleración, o cantidad de energía ganada por longitud, de 300 millones de electronvoltios por metro. Eso es aproximadamente 10 veces la aceleración proporcionada por el actual acelerador lineal SLAC.

"Nuestro objetivo final para esta estructura es mil millones de electronvoltios por metro, y ya estamos a un tercio del camino en nuestro primer experimento, "dijo el profesor de Stanford Robert Byer, el investigador principal de esta investigación.

Los aceleradores actuales utilizan microondas para aumentar la energía de los electrones. Los investigadores han estado buscando alternativas más económicas, y esta nueva técnica, que utiliza láseres ultrarrápidos para impulsar el acelerador, es un candidato destacado.

Las partículas se aceleran generalmente en dos etapas. Primero, se elevan a casi la velocidad de la luz. Entonces, cualquier aceleración adicional aumenta su energía, pero no su velocidad; esta es la parte desafiante.

En los experimentos del acelerador en un chip, Los electrones se aceleran primero hasta casi la velocidad de la luz en un acelerador convencional. Luego se enfocan en un pequeño, canal de medio micrón de altura dentro de un chip de vidrio de sílice fundido de solo medio milímetro de largo. El canal se había modelado con crestas a nanoescala espaciadas con precisión. La luz láser infrarroja que brilla sobre el patrón genera campos eléctricos que interactúan con los electrones en el canal para aumentar su energía. (Consulte la animación adjunta para obtener más detalles).

Convertir el acelerador de un chip en un acelerador de mesa completo requerirá una forma más compacta de acelerar los electrones antes de que entren en el dispositivo.

Un grupo de investigación colaborador en Alemania, dirigido por Peter Hommelhoff en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, ha estado buscando una solución de este tipo. Informa simultáneamente en Cartas de revisión física su éxito en el uso de un láser para acelerar electrones de menor energía.

Las aplicaciones de estos nuevos aceleradores de partículas irían mucho más allá de la investigación en física de partículas. Byer dijo que los aceleradores láser podrían impulsar láseres compactos de rayos X de electrones libres, comparable a la fuente de luz coherente Linac de SLAC, que son herramientas de uso general para una amplia gama de investigaciones.

Otra posible aplicación es pequeña, fuentes de rayos X portátiles para mejorar la atención médica de las personas heridas en combate, así como proporcionar imágenes médicas más asequibles para hospitales y laboratorios. Ese es uno de los objetivos del programa de fuentes integradas de rayos X avanzados (AXiS) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), que financió parcialmente esta investigación. El financiamiento principal para esta investigación proviene de la Oficina de Ciencias del DOE.