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两篇研究，成功构建激光驱动的粒子加速器
光子盒研究院
最近，两个独立的研究小组在硅芯片上制造出了激光驱动的粒子加速器。经过进一步改进，这种电介质激光加速器可用于医疗和工业领域，甚至可应用于高能粒子物理实验。
将电子加速到高能量通常需要在大型且昂贵的设施中进行远距离操作。例如，位于德国欧洲X射线自由电子激光器中心的电子加速器长达3.4千米，位于加利福尼亚州的斯坦福线性加速器（SLAC）长达3.2千米。
因此，电子加速器在医学和工业领域的实际应用受到严重限制。在以加速器为基础的粒子物理学中，尺寸和成本也是一个因素，因为碰撞能量越高，设施就越大，成本就越高。
在传统加速器中，金属腔内电场的微波振荡会像海浪上的冲浪者一样加速电子。最大加速梯度通常为每米几十兆伏特，这是由空腔中金属元件之间可能存在的最大电场决定的。
德国埃尔朗根-纽伦堡大学的彼得·霍梅尔霍夫（Peter Hommelhoff）解释这一领域：“没有人确切知道在（金属）表面发生了什么，这仍然是一个活跃的研究领域......但当电场过大时，表面上就会生长出类似小金字塔的东西，然后电子就会喷射出来，电场就会崩溃。”
传统加速器的成本和技术挑战意味着研究人员热衷于开发替代加速方法。在一项最新研究中，振荡电场是通过向硅纳米结构制成的微小光腔发射激光脉冲产生的。
对于这一成果，霍梅尔霍夫说，近三十年后，物理学家才意识到，利用光频光驱动的纳米光子空腔也可以实现电子加速：并且，使用光学光有助于缩小设备的规模，因为辐射的波长比微波短得多。
而且，霍梅尔霍夫还指出了这种方法的另一个重要优点：“当你用激光驱动这些频率时，你不需要金属结构”。他补充说：“只要使用普通玻璃......就能产生与微波腔和微波场相同的模式”。
由于空腔是绝缘体，因此表面上的点不会出现高浓度电荷。因此，加速度梯度的唯一限制是材料的电击穿场。
原则上，这可以实现粒子加速器的纳米光子集成，在一个微小、精确聚焦的光束线中产生成串的电子。然而，这也存在实际挑战：每个电子束中的电子相互排斥，要将电子束保持在一起，需要借助外力进行聚焦。此外，在一个方向压缩电子束会导致电子束向其他方向扩散。
在之前的工作中，加州斯坦福大学的霍梅尔霍夫（Hommelhoff）和奥拉夫·索尔加德（Olav Solgaard）等研究人员已经证明，可以利用交替相位聚焦来缓解这种排斥问题。在这种技术中，电子交替被限制在一个方向，然后又被限制在另一个方向，从而产生振荡场分布。
现在，两个独立的研究小组对这些加速器进行了新的研究。一个由埃尔朗根-纽伦堡大学的霍梅尔霍夫领导；另一个小组是由索尔加德领导的斯坦福大学科学家与乌韦·尼德迈尔（Uwe Niedermeyer）领导的德国达姆施塔特工业大学研究人员合作完成。
这两个小组都创造了纳米光子介质激光加速器，可以在电子束不破裂的情况下提高电子束的能量。索尔加德和尼德迈尔的团队制造了两台加速器，一台在斯坦福大学设计，另一台在达姆施塔特工业大学制造。其中一个加速器在仅708 μm的距离内将96 keV电子的能量提高了25%——这大约是人类头发粗细的十倍。
索尔加德说道：“我认为，我对电子施加的力比任何人都大。”
霍梅尔霍夫小组的设备在较低能量下工作，在500μm的范围内将电子从28.4 keV加速到40.7 keV。正如霍梅尔霍夫所解释的，这也带来了自身的挑战：“当你想加速非相对论电子时就不那么容易了：在我们的例子中，它们的速度只有光速的三分之一，而且产生与电子共同传播的光学模式的效率也较低。”
现在，研究人员正寻求通过在击穿场高于硅的材料中制造设备来实现更高的场梯度。他们相信，在短期内，他们的加速方案可以应用于医学成像和暗物质搜索。
索尔加德认为，自己“可能是认为这将在高能物理中发挥作用的极少数人中的一员”，但这项技术应该可以在石英等材料中使用，因为石英的击穿场几乎是传统加速器的1000倍。他说：“我们的毫米变为一米，当我们达到一米时，我们应该在能量上与SLAC不相上下......想想看，在我的办公室里就有一台与SLAC不相上下的加速器。”
英国利物浦大学的加速器科学家Carsten Welsch评论道：“我认为这（两个团队）已经向真正的芯片加速器迈出了重要的新一步。”不过，他提醒说，在光束控制和微型诊断方面还有很多工作要做。在应用方面，他说：“我和他们一样看好类似导管的医疗应用，将电子带到需要的地方，特别是微型光源，我个人认为它的潜力最大。高质量电子束与光的结合确实可以带来全新的研究机会和应用。”
“不过，下一个大型强子对撞机不会是介质激光加速器。”
参考链接：[1]https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7[3]https://arxiv.org/abs/2310.02434
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