硅芯片上的激光驱动粒子加速器是由两个独立的研究小组创建的。随着进一步的改进，这种介电激光加速器可用于医学和工业，甚至可以在高能粒子物理实验中找到应用。

将电子加速到高能量通常是在大型和昂贵的设施中长距离完成的。例如，德国欧洲X射线自由电子激光器中心的电子加速器长3.4公里，加利福尼亚州的斯坦福直线加速器长3.2公里。

因此，电子加速器在医学和工业中的实际应用受到严格限制。尺寸和成本也是基于加速器的粒子物理学中的因素，随着碰撞能量的增加，设施变得越来越大，越来越昂贵。

冲浪者在波浪上

在传统的加速器中，金属腔中电场的微波振荡像行波上的冲浪者一样加速电子。最大加速度梯度通常为每米几十兆伏，由腔体中金属部件之间可能存在的最大电场定义。

“没有人确切知道[空腔]表面发生了什么，这仍然是一个活跃的研究领域......但是当场变得太大时，像微小的小金字塔一样的东西在表面上生长，然后电子喷出，场就会分解，“德国埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学的Peter Hommelhoff说。

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。在这项最新研究中，振荡电场是通过将激光脉冲发射到由硅纳米结构制成的微小光学腔中产生的。

Hommelhoff说，物理学家花了将近三十年的时间才意识到电子加速也可以使用由光学频率光驱动的纳米光子腔来实现。使用光学光有助于缩小设备，因为辐射的波长比微波的波长短得多。

无需金属

Hommelhoff指出了这种方法的另一个重要好处：“当你用激光驱动这些频率时，你不需要金属结构”。他补充说，“如果你只使用普通玻璃就足够了......你可以生成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的电荷。因此，加速度梯度的唯一限制是材料的电击穿场。

原则上，这允许粒子加速器的纳米光子集成，在微小的精确聚焦光束线中产生电子束。然而，也存在实际挑战。每个束中的电子相互排斥，将一束电子保持在一起需要外力聚焦。此外，在一个方向上压缩一堆会导致它在方向上传播。

排斥问题

在以前的工作中，包括加利福尼亚州斯坦福大学的Hommelhoff和Olav Solgaard在内的研究人员已经证明，这种排斥问题可以通过交替相位聚焦来缓解。在这种技术中，电子交替地被限制在一个方向上，然后被限制在另一个方向上，产生振荡场分布。

现在，两个独立的研究小组已经完成了这些加速器的新工作。其中一个由弗里德里希-亚历山大大学的霍梅尔霍夫领导。另一个小组是由Solgaard领导的斯坦福大学科学家和由Uwe Niedermeyer领导的德国达姆施塔特工业大学的研究人员之间的合作。两个团队都创造了纳米光子介电激光加速器，可以提高电子束的能量而不会分裂。Solgaard和Niedermeyer的团队制造了两个加速器 - 一个在斯坦福大学设计，一个在达姆施塔特工业大学设计。一个加速器在仅708μm的距离内将96 keV电子的能量提高了25%。这大约是人类头发厚度的十倍。

“我认为我在电子上施加的力比其他任何人都大，”Solgaard说。

Hommelhoff小组的装置在较低的能量下工作，在500μm上将电子从28.4 keV加速到40.7 keV。正如Hommelhoff所解释的那样，这带来了自己的挑战。“当你想要加速非相对论性的电子时 - 在我们的例子中，它们只以光速的三分之一传播 - 这并不容易，而且产生与电子共同传播的光学模式的效率较低。

更高的细分字段

研究人员现在正在寻求通过在具有比硅更高的击穿场的材料中制造器件来实现更高的场梯度。他们认为，在短期内，他们的加速方案可以在医学成像和暗物质搜索中找到应用。

Solgaard说，他“可能是极少数人认为这将在高能物理学中发挥作用”，但该技术应该可用于石英等材料，其击穿场几乎是传统加速器的1000倍。“我们的毫米变成了一米，”他说;“当我们达到一米时，我们应该在能量上与SLAC相匹配......考虑在我的办公室里安装一个与SLAC相匹配的加速器。

“我认为这两个团队已经展示了迈向芯片上真正的加速器的重要新一步，”英国利物浦大学的加速器科学家Carsten Welsch说。然而，他警告说，在光束控制和微型诊断方面仍有许多工作要做。在应用方面，他说：“我和他们一样对类似导管的医疗应用持乐观态度，将电子带到需要的地方，特别是对于我个人认为潜力最大的微型光源。高质量电子束和光的结合可以真正开辟全新的研究机会和应用。

然而，Welsch仍然不相信粒子对撞机等应用，指出此类机器需要高亮度和高光束质量。“下一个大型强子对撞机不会是介电激光加速器，”他总结道。

Hommelhoff及其同事在《自然》杂志上描述了他们的工作。Solgaard，Niedermeyer及其同事描述了他们在arXiv上的工作。