介电激光加速 (DLA) 就是这样一种强大的技术。在这种方法中，粒子的加速是在光学近场中进行的。当超短激光脉冲集中在纳米光子结构上时，就会发生这种情况。
使用这种技术，来自弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学 (FAU)激光物理学主席的科学家们已经成功地通过真空通道引导电子，这是粒子加速器的一个重要组成部分。
光子纳米结构通道的总体设计是由达姆施塔特工业大学的研究合作伙伴开发的。他们最近在《自然》杂志上报告了他们的综合发现。
保持专注
由于带电粒子在分散时倾向于远离彼此，因此所有加速器技术都必须应对将粒子保持在必要的时间和空间边界内的挑战。因此，粒子加速器的长度可达 10 公里，除涉及巨额投资外，还需要多年的准备和建造才能投入使用。
DLA 使用超快激光技术并在半导体生产方面取得进展，有可能将这些加速器的尺寸缩小到几毫米或几厘米。
一种有前途的方法：实验已经表明，DLA 至少比目前使用的技术高出 35 倍。这意味着预期加速器的长度可以通过相同的系数最小化。然而，到目前为止，这些数字是否可以扩展到越来越长的结构还不清楚。
由 FAU 激光物理学主席 Peter Hommelhoff 教授领导的物理学家团队朝着将 DLA 应用于全功能加速器的方向迈出了一大步。他们的实验是第一个创建可用于长距离引导电子脉冲的方案。
技术是关键
该系统被称为“交替相位聚焦”(APF)，是一种源自加速器理论初期的技术。物理学的基本定律意味着同时在所有三个维度(高度、宽度和深度)集中带电粒子是不可能的。
然而，这可以通过在不同维度上交替聚焦电子来克服。首先，电子使用调制激光束聚焦，然后它们通过另一个短通道“漂移”，在那里没有力影响它们，最后它们被加速，这允许它们被引导向前。
在他们的实验中，来自 FAU 和 TU Darmstadt 的研究人员将椭圆柱柱廊与短间隙以稳定的间隔组合在一起，从而产生重复的宏细胞。基于电子、入射激光和形成漂移部分的间隙之间的延迟，每个宏单元对粒子具有聚焦或散焦影响。
这种安排允许在光学或飞秒超时间尺度(飞秒匹配百万分之一秒)的精确电子相空间控制。
在本实验中，将激光照射在结构上显示通过该结构的束电流增加。如果不使用激光，电子将无法被引导并缓慢撞击通道壁。
FAU研究合著者和物理学家约翰内斯·伊尔默 (Johannes Illmer)：这非常令人兴奋。相比之下，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机在 2450 米长的曲线中使用了 23 个这样的单元。我们的纳米结构在 80 微米内使用了五个类似作用的细胞。
什么时候可以期待第一个 DLA 加速器?
FAU 激光物理学主席 Roy Shiloh 博士：结果非常重要，但对我们来说，这实际上只是一个过渡步骤。我们的最终目标很明确：我们希望在微芯片上创建一个全功能的加速器。
研究人员已在《自然》杂志上报告了他们的结果。该研究得到了 Gordon 和 Betty Moore 基金会 (#GBMF4744)、ERC 项目 NearFieldAtto (#616823) 和 AccelOnChip (#884217) 以及 BMBF 项目 05K19WEB 和 05K19RDE 的资助。
期刊参考：Shiloh, R.等人。(2021) 基于光子芯片的粒子加速中的电子相空间控制。自然。doi.org/10.1038/s41586-021-03812-9。
