在微芯片规模上引导和加速电子

斯坦福大学的研究人员越来越接近建造一种基于“片上加速器”技术的微型电子加速器，该加速器在物理研究以及医疗和工业用途方面具有广泛的潜在应用。

研究人员已经证明，硅介电激光加速器(DLA)现在可以加速和限制电子，从而产生聚焦的高能电子束。“如果电子是微型汽车，就好像我们第一次掌舵、踩油门一样，”23届电气工程博士、论文第一作者佩顿·布罗德斯(PaytonBroaddus)说道。2月23日，《物理评论快报》详细介绍了这一突破。

将加速器从英里提升到微米

加速器产生高能粒子束，使物理学家能够研究材料的特性，生产用于医疗应用的聚焦探针，并识别构成宇宙中所有物质的基本构件。20世纪30年代开发的一些最早的高能粒子加速器可以安装在桌面上。但研究更先进的物理学需要更高的粒子能量，因此科学家需要建造更大的系统。(斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的原始直线加速器隧道于1966年启动，几乎长2英里。)

虽然这些系统使粒子物理学的许多发现成为可能，但布罗德斯仍然有动力建造一个微型直线加速器，最终可以与比其尺寸大一千倍的机器的能力相媲美，而成本却只是其一小部分。这也将带来新的医学应用，例如能够将该设备连接到小型探针上并向肿瘤精确发射电子束。“有能力用更便宜、更小的东西完全取代所有其他粒子加速器，”他说。

爱德华·L·金兹顿实验室主任、工程学院罗伯特·L·汉考克和奥黛丽·S·汉考克教授、纸。传统的射频加速器由铜腔组成，用无线电波泵浦，为粒子提供能量增强。这些脉冲可以加热金属，因此腔体需要以较低的能量和脉冲速率运行，以散发热量并避免熔化。

但玻璃和硅结构可以在不加热的情况下处理更高能量的激光脉冲，因此它们可以更强大，同时也更小。大约十年前，斯坦福大学的研究人员开始试验由这些材料制成的纳米结构。2013年，论文合著者、小威廉·R·凯南(WilliamR.Kenan,Jr.)名誉教授罗伯特·拜尔(RobertByer)领导的团队证明，带有脉冲红外光的微型玻璃加速器已成功加速电子。这些结果导致该项目被戈登和贝蒂摩尔基金会在芯片加速器(ACHIP)国际合作下采用，以生产鞋盒大小的兆电子伏加速器。

但这第一个“芯片上的加速器”仍然有一些问题需要解决。正如布罗德斯所说，里面的电子就像狭窄道路上没有方向盘的汽车。它们可以非常快地加速，但也很容易撞到墙上。

用激光控制电子

现在，斯坦福大学研究人员团队已经成功证明他们也可以在纳米尺度上引导电子。为此，他们在真空系统中构建了一个带有亚微米通道的硅结构。他们将电子注入一端，并用整形激光脉冲从两侧照亮该结构，从而传递动能。激光场周期性地在聚焦和散焦特性之间翻转，从而将电子聚集在一起，防止它们偏离轨道。

总而言之，这一系列的加速、散焦和聚焦作用在电子上的距离接近一毫米。听起来可能不远，但这些带电粒子获得了相当大的冲击力，获得了23.7千电子伏的能量，比它们的起始能量高出大约25%。该团队在微型加速器原型中能够实现的加速率与传统的铜加速器相当，并且Broaddus补充说更高的加速率是可能的。

虽然这是向前迈出的重要一步，但在这些小型加速器用于工业、医学和研究之前，还有更多工作要做。到目前为止，该团队控制电子的能力仅限于二维。需要三维电子限制以使加速器足够长以产生更大的能量增益。

电子接力赛

德国埃尔兰根弗里德里希亚历山大大学(FAU)的一个姊妹研究小组最近展示了一种类似的装置，该装置采用单激光器，并且启动能量低得多。布罗德杜斯说，它和斯坦福大学的设备最终将成为电子接力赛的一部分。

这个未来的中继将有三个队友：FAU设备将吸收低能电子并给它们一个初始冲击力，然后它们可以被输入到类似于Broaddus正在开发的设备中。电子的最后一步是由玻璃制成的加速器，就像拜尔开发的加速器一样。玻璃比硅更能承受激光的冲击，从而使加速器能够进一步激发电子并将电子推向光速。

最终，索尔加德相信这样一个微型加速器将在高能物理学中发挥作用，像大型加速器一样探索构成宇宙的基本物质。“我们还有非常非常长的路要走，”他说。但他仍然很乐观，并补充道，“我们已经迈出了最初的几步。”

罗伯特·拜尔(RobertByer)也是人文与科学学院和SLAC国家加速器实验室光子科学理事会应用物理学名誉教授，也是斯坦福大学Bio-X成员。索尔加德也是电气工程学教授;Bio-X、斯坦福癌症研究所和吴仔神经科学研究所的成员;以及普雷库特能源研究所和斯坦福伍兹环境研究所的附属机构。