可集成到芯片上的粒子加速器

利用微波将亚原子粒子加速到接近光速的加速器通常体积非常庞大。目前，美国斯坦福大学实验室的科学家已经开发出集成在硅晶片上的小型激光驱动线性加速器（Science，doi：10.1126 / scienceaay5734）。

该器件在仅30μm的距离内即可向电子提供高达0.915 keV的能量，这相当于每米30.5 MeV的梯度。尽管此设备目前仍是处于概念证明阶段，但此类芯片尺寸的加速器有希望作为更便于使用的粒子加速器将其应用于生物医学和化学研究。

芯片加速器上大约5μm宽的部分。灰色结构将红外激光（以黄色和紫色显示）聚焦在流过中心通道的电子上。

设计挑战

来自斯坦福大学，该研究的主要作者Neil Sapra说，虽然由近红外激光而不是射频波驱动的加速器已经实现了，但是它们需要一整个光学平台的元件才能完成芯片的分裂和相位控制。借助该微型加速器，科学家可以在波导网络内进行分裂和相位控制，而该波导网络只占用一小片的芯片。

斯坦福大学电气工程学教授和OSA研究员Jelena Vuckovic是该研究小组的负责人，他说，这项工作中最大的挑战是设计集成的光子结构。她说：“传统的光子学和直观的解决方案不起作用，并且无法提供足够的加速度梯度和效率来构建加速器。”另外，操纵波导内的光以产生粒子加速场的小特征还引入了反射和散射。

为了解决上述问题，该团队使用了一种称为“反向光子学”的设计技术，该技术可以在可能的光子结构的整个空间中搜索形状，从而优化设备的效率和加速度梯度，同时对材料的破坏保持最小。最终，加速器由一个500 nm厚的器件层组成，该器件层堆叠在一个3μm厚的掩埋氧化物层上，在30μm的长度上蚀刻了30个周期。研究人员向波导中发送了83.4 keV（以光速的51％移动）的电子束，并在有和没有1.94μm波长的激光照射下测量其光谱。该解决方案在性能上超过了任何传统方法，并且可以扩展到多级加速器。

未来的计划

在这项工作中，研究小组展示了单级加速中的介电激光器加速，但是对于片上MeV级加速器，他们将需要大约1000个这样的阶段。为了使能量梯度达到该范围，研究人员将采用两步策略。首先，他们将致力于提高整个系统的系统效率，以增加每个阶段的加速度。此外，研究人员将级联多个阶段，并将它们集成到线性芯片上的几何结构中，以达到更高的粒子束能量，这种能量有一天可用于医学应用，例如精确靶向的癌症治疗。

由斯坦福大学和美国SLAC国家加速器实验室组成的团队完成的是 “芯片加速器国际计划”中的一部分，目标是缩小这些加速器的尺寸并提高其便携性。Sapra说：“此外，芯片粒子加速器为X射线源提供了台式解决方案，可用于工业，生物和材料研究中的成像。