Teilchenbeschleuniger on a Chip
Dieses 25'000fach vergrößerte Bild zeigt einen Ausschnitt eines »Beschleunigers auf einem Chip«. Die grauen Strukturen fokussieren infrarotes Laserlicht (gelb und lila dargestellt) auf Elektronen, die durch den mittleren Kanal fliessen. Durch das Packen von 1.000 Kanälen auf einem 1 Zoll grossen Chip erwarten die Stanford-Forscher, Elektronen auf 94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. (Bild: Neil Sapra)
Infrarotlaser sind in der Lage, Silizium leicht zu durchdringen. Die Forscher benutzen solche gepulsten IR-Laser, um Elektronen innerhalb einer mittels Modellrechnungen entwickelten, speziellen Struktur auf enorme Energien anzuregen.
Im Wissenschaftsmagazin Science beschreiben sie, wie sie in den Chip eine Nanoröhre einbrachten und diese unter Vakuum verschlossen. In die Wand dieser Röhre integrierten sie optische Linsen, um den Laser optimal auf die durch in der Röhre befindlichen Elektronen zu fokussieren. Eine einfache Elektronenkanone schickte dann Elektronen mit einer Energie von 80 Kiloelektronenvolt (keV) durch die Röhre. Im Prototyp-Chip übertrug dann jeder Lasertreffer auf einer Wegstrecke von nur 30 µm eine Energie von 0.9 keV auf ein Elektron.
Mit einem zukünftigen Design sollen noch im Jahr 2020 tausend solcher Strukturen auf einer Wegstrecke von weniger als drei Zentimetern hintereinander geschaltet werden, in denen dann ein Infrarotlaser mit 100 kHz Pulsfrequenz die Elektronen auf ein Energieniveau von 1 Megaelektronenvolt (MeV) beschleunigen könnte, erwartet das Forscherteam.
Damit würden Elektronen auf dieser kurzen Beschleunigungsstrecke 94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Geräte mit dieser Technik könnten in Zukunft Krebstumore extrem fein lokalisiert bestrahlen oder für innovative Experimente in Chemie, Materialwissenschaften und biologischer Forschung eingesetzt werden. Vuckovic: "Wir wollen die Beschleunigertechnologie so miniaturisieren, dass sie für die Forschung zugänglicher wird."
Quelle: Standford News, Bearbeitung: nano.swiss/MMo
Originalveröffentlichung: "On-chip integrated laser-driven particle accelerator", Science 367 (6473), 79-83 (2020), DOI: https://doi.org/10.1126/science.aay5734
