Tím z Nemecka dosiahol míľnik. Fyzikom sa po prvý raz podarilo urýchliť elektróny v štruktúre s veľkosťou niekoľkých nanometrov.
Vedcom z FAU sa po prvý raz podarilo merateľne urýchliť elektróny v štruktúrach s veľkosťou len niekoľkých nanometrov. Na obrázku je mikročip so štruktúrami v pomere k 1-centovej minci. Zdroj: FAU/Julian Litzel
Výskumný tím z nemeckého Erlangenu zostrojil miniatúrny urýchľovač častíc, ktorý dosiahol nielen veľkú energiu, ale vytvára aj úzko fokusovaný lúč. Bez ohľadu na možnosti uplatnenia, či už v oblasti výskumu materiálov, v liečbe rakoviny, alebo pri fyzikálnom výskume častíc, urýchľovače častíc slúžia na to, aby nabité častice dosiahli extrémne vysokú rýchlosť aj energiu. Na to spravidla potrebujú veľa miesta, ako napríklad Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) v CERN-e.
Pozrite si
Miniatúrne urýchľovače
Viaceré výskumné tímy na svete sa však pokúšajú zostrojiť urýchľovač častíc s mimoriadne malými rozmermi. Asi najbližšie sa k splneniu cieľa dostali dva tímy, jeden z americkej Stanfordovej univerzity a druhý z Univerzity Friedricha-Alexandra Erlangen-Nürnberg (FAU). Prototypy miniatúrnych urýchľovačov prezentovali obe skupiny už v roku 2013.
V roku 2020 sa mimoriadny úspech podarilo dosiahnuť skupine zo Stanfordovej univerzity, ktorá po prvý raz dokázala, že elektróny možno na kremíkovom čipe skutočne urýchliť pomocou ultrakrátkych laserových impulzov – hoci len na niekoľko stoviek elektrónvoltov. Najnovší úspech zaznamenala teraz skupina z FAU, ktorá opäť posunula latku o niečo vyššie. Vo vedeckom časopise Nature fyzici opísali urýchľovač častíc, ktorý dokáže zvýšiť energiu elektrónov na 500 mikrometroch dĺžky o 43 percent na niekoľko tisíc elektrónvoltov. To je rekord z hľadiska energie aj urýchlenia. Navyše sa im podarilo zviazať zväzok veľmi tesne. To bola doteraz najväčšia výzva okrem samotného urýchľovania častíc.
Fokusácia striedavou fázou
Vo všeobecnosti sa na zaostrenie elektrónov v smere priečnom k ich pohybu používajú magnety namontované mimo zväzku pomocou techniky nazývanej fokusácia striedavou fázou (alternating-phase focusing, skr. APF). Lenže malé rozmery miniurýchľovača sťažujú použitie vonkajších magnetov. S takzvaným APF zúžením teraz skupina FAU tento problém obchádza a na zaostrenie elektrónov používa samotný laser. Laserové svetlo vytvára optický mód, ktorý urýchľuje elektróny v štruktúre kremíkových stĺpcov mikrometrových rozmerov. Kremíkové stĺpce sú usporiadané v jednotlivých balíkoch, nazývaných aj makrobunky. Vzdialenosti medzi jednotlivými makrobunkami, ktoré sú zapojené do série, sú navrhnuté tak, aby spôsobovali náhle periodické zmeny vo fáze svetla. Tieto fázové skoky spôsobujú, že zväzky elektrónov sa najprv zaostria v smere kolmom na ich pohyb, čím sa lúč zúži, a potom sa zaostria v smere rovnobežnom s ich pohybom.
Prvý urýchľovač častíc na čipe
„Vysnívanou aplikáciou by bolo umiestnenie urýchľovača častíc na endoskop, aby bolo možné vykonať rádioterapiu priamo na postihnutom mieste v tele,“ uviedol v tlačovej správe univerzity Tomáš Chlouba, jeden zo štyroch hlavných autorov štúdie. Tím z Katedry laserovej fyziky FAU pod vedením profesora Petra Hommelhoffa, ktorý tvorí Tomáš Chlouba, Roy Shiloh, Stefanie Krausová, Leon Brückner a Julian Litzel, je od uskutočnenia tohto sna ešte ďaleko, keďže zisk energie by sa musel zvýšiť približne stonásobne, ale demonštráciou nanofotonického urýchľovača elektrónov sa im teraz podarilo urobiť rozhodujúci krok správnym smerom. Podľa Roya Shiloha ide o úspech, keďže môžu „po prvý raz skutočne hovoriť o urýchľovači častíc na čipe“. Aby sa na výstupe štruktúry dosiahli vyššie elektrónové prúdy pri ešte vyšších energiách, ďalším krokom by bolo rozšírenie štruktúry alebo umiestnenie viacerých kanálov vedľa seba. Ďalším prístupom k zvýšeniu prúdu by mohlo byť použitie druhého lasera na vytvorenie interferenčného obrazca medzi dvoma lasermi.
Preteky medzi fyzikmi
To, čo sa podarilo tímu laserových fyzikov z Erlangenu, takmer súčasne dokázali kolegovia zo Stanfordovej univerzity v USA: ich výsledky sú v súčasnosti v procese posudzovania. Oba tímy spoločne pracujú na realizácii urýchľovača na čipe v rámci projektu financovaného Nadáciou Gordona a Betty Moorovcov. „V roku 2015 mal tím ACHIP pod vedením FAU a Stanfordovej univerzity víziu revolučného prístupu k návrhu urýchľovača častíc,“ povedal Dr. Gary Greenburg z Nadácie Gordona a Betty Moorovcov. „Sme radi, že naša podpora pomohla túto víziu uskutočniť.“
Zdroj: Spektrum.de, FAU
(zh)
