Фундаментальная идея разработки миниатюрного ускорителя частиц заключается в том, чтобы позволить ученым использовать лазерные лучи для ускорения электронов. То, что в теории кажется обманчиво простым, на практике порождает целый ряд проблем, охватывающих различные области физики. Например, ученым необходимо уметь управлять колебаниями света и движением электронов с большой точностью, чтобы гарантировать, что они встречаются друг с другом в нужный момент.Один из способов представить это — представить корабль в бурном море; Чтобы безопасно подняться на волну и спуститься с другой стороны, рулевой должен наблюдать за набегающей волной и определять, когда она встретит судно.
Не менее важно, чтобы группа ученых FAU установила, когда и где максимальный пик световой волны поразит пакет электронов, чтобы они могли повлиять на результат в очень определенной степени. Это означает, что им необходимо обеспечить совпадение света и электронов в пределах «аттосекунд», то есть миллиардных долей миллиардной секунды.Во-первых, это именно то, чего удалось достичь исследовательской группе, работающей под руководством профессора доктора Питера Хоммельхоффа из FAU.
Команда разработала новую технику, включающую пересечение двух лазерных лучей, колеблющихся на разных частотах, чтобы создать оптическое поле, на свойства которого исследователи могут влиять с очень высокой степенью точности. Ключевым свойством этого оптического поля является то, что оно сохраняет контакт с электронами, эффективно перемещаясь вместе с ними (отсюда и название бегущей волны), поэтому электроны могут непрерывно воспринимать оптическое поле или «перемещаться по нему».
Таким образом, оптическое поле точно передает свои свойства частицам.Этот процесс не только заставляет частицы точно отражать структуру поля, но и ускоряет их — в поразительно высокой степени. Этот эффект имеет решающее значение для практического применения миниатюрного ускорителя частиц, поскольку он связан с тем, сколько энергии может быть передано электронам на каком расстоянии. Градиент ускорения, который показывает максимальный измеренный выигрыш энергии электронов в зависимости от пройденного расстояния, достигает чрезвычайно высокого значения 2,2 гигаэлектронвольт на метр, что намного выше, чем у обычных ускорителей.
Однако дистанция ускорения всего 0,01 миллиметра, доступная в настоящее время исследовательской группе в Эрлангене, недостаточна для того, чтобы они генерировали энергию, необходимую для достижения результатов, актуальных для практических приложений. «Несмотря на это, для ускорителей частиц в медицине нам понадобится лишь крошечная длина ускорения, менее миллиметра», — объясняет доктор Мартин Козак, проводивший лабораторный эксперимент.Ускоритель частиц на микрочипеРуководитель проекта профессор д-р Питер Хоммельхофф с кафедры лазерной физики FAU считает миниатюризацию ускорителей технической революцией, аналогичной разработке компьютеров, которая превратилась из целых комнат в установку на запястьях людей. «Мы надеемся, что этот подход позволит нам сделать эту инновационную технику ускорения частиц пригодной для использования в ряде исследовательских областей и областей применения, таких как материаловедение, биология и медицина; одним из примеров может быть терапия частицами для онкологических больных ».В 2015 году исследователи FAU объединились с учеными из Стэнфордского университета и восьми других международных партнерских организаций в программе Accelerator on a Chip International (ACHIP).
Фонд Гордона и Бетти Мур щедро выделил проекту пятилетнее финансирование; из общей суммы гранта в 13,5 миллионов долларов (примерно 12,5 миллиона евро) 2,44 миллиона долларов (примерно 2,26 миллиона евро) были переданы FAU.