Ubrzanje ka budućnosti u minijaturnim uređajima: Akceleratori čestica koji staju na novčić

Foto: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel

Akceleratori čestica su najvažnija alatka u čitavom nizu oblasti: industriji, naučno-istraživačkom radu, medicini… Prostor koji ove mašine zauzimaju varira od nekoliko kvadratnih metara do ogromnih kompleksa u okviru istraživačkih centara. Upotreba lasera za ubrzavanje elektrona unutar fotonske nanostrukture predstavlja osnovu mikroskopskih alternativa sa daleko manjom zapreminom i cenom.

Do nedavno, upotrebom sličnih uređaja elektroni nisu mogli značajno da se ubrzaju. Međutim, tim laserskih fizičara sa Fridrih-Aleksander univerziteta (FAU) u Erlangenu i Nirnbergu nedavno je uspešno demonstrirao prvi nanofotonski akcelerator elektrona, otprilike u isto vreme kao i njihove kolege sa univerziteta Stenford, piše SciTech Daily.

Preporučujemo

Akceleratori čestica i njihova nanofotonska evolucija

Kada ljudi čuju termin „akcelerator čestica“, prva asocijacija je na Veliki haldron ciklotron u sklopu CERN-a. Ovu džinovsku cevastu napravu kružnog oblika dugu oko 27 kilometara koriste naučnici iz celog sveta za ispitivanja nepoznatih elementarnih čestica. Ovakvi ogromni akceleratori su više izuzetak nego praksa. Danas se mnogo češće sreću manji akceleratori, veliki nekoliko metara, poput onih koje se u medicinskim ustanovama koriste za dijagnostička snimanja ili za zračenje pri tretmanu tumorskih promena. Ovi uređaji su ipak i dalje prilično veliki i nezgrapni, a njihove performanse bi trebalo još mnogo unaprediti.

U želji da smanje veličinu postojećih uređaja, fizičari širom sveta rade na dielektričkim laserskim akceleratorima, poznatim i kao nanofotonski akceleratori. Aparatura koju koriste duga je svega 0,5 milimetara, a prečnik kroz koji se elektroni ubrzavaju je samo 225 nanometara, čineći ove akceleratore malim poput kompjuterskog čipa.

Ubrzavanje čestica se izvodi tako što ultrakratki laserski pulsevi obasjavaju nanostrukture. Doktor Tomaš Hlouba, jedan od četiri vodeća istraživača i autora nedavno objavljenog naučnog rada, kaže da bi idealan scenario bio kada bi ovakav uređaj mogao da se priključi na vrh endoskopa i da se radioterapija sprovodi direktno na obolelom mestu.

Ovaj ideal još uvek može biti nedostižan za stručnjake za lasersku fiziku sa univerzitea FAU, mada su oni postigli značajan korak u tom pravcu već samom demonstracijom ovako malenog akceleratora.

Usmeravanje elektrona + ubrzanje = akcelerator čestica

Pre nešto više od dve godine ovaj tim je napravio svoj prvi veliki pomak. Koristeći metod naizmeničnog faznog fokusiranja, starinski metod iz ranih dana teorije akceleracije, uspeli su da kontrolišu protok elektrona u vakuumskim kanalima na veliku daljinu. Ovo je bio prvi korak ka stvaranju akceleratora čestica. Sve što je tada bilo potrebno da bi se dobile velike količine energije bila je akceleracija.

- Upotrebom ovog metoda ne samo da smo uspeli da usmeravamo elektrone, već i da ih ubrzavamo kroz nanostrukture na daljinu od pola milimetra - kaže Stefani Kraus, jedna od članica ovog tima.

Iako se ovo laicima ne čini kao neko naročito dostignuće, na polju ubrzavanja čestica je zapravo ogroman uspeh. Leon Brikner dodaje da je dobijena energija od 12 kiloelektron volti, što predstavlja dobitak u energiji od 43%.

Kako bi se partikule ubrzale preko ovolike razdaljine (posmatrano iz nanoperspektive), fizičari sa FAU su kombinovali alternativno fazno fokusiranje sa specijalno razvijenim stubolikim geometrijskim formama.

Ova demonstracija je samo početak. Cilj nam je da podignemo dobitak energije i elektronske struje do nivoa gde će ovaj uređaj moći da se primenjuje u medicini. Da bi se to postiglo, dobitak energije bi trebalo da se poveća otprilike 100 puta. Za to je potrebno proširiti strukture ili poređati nekoliko vakuumskih kanala jedan pored drugog, navodi Tomaš Hlouba kao ideje za budući razvoj.

Globalna težnja ka minijaturizaciji

Sve što su nemački fizičari postigli, gotovo istovremeno su uradile i njihove američke kolege sa univerziteta Stenford, čiji rezultati su postupku razmatranja. Ova dva tima trenutno rade zajedno na projektu „Akcelerator na čipu“, koji finansira Fondacija Gordon i Beti Mur.

Doktor Gari Grinburg iz ove fondacije kaže da su fizičari sa FAU i Stenforda još 2015. imali ideju za revolucionarni pristup za čestični akcelerator, i da su ljudi iz fondacije oduševljeni jer su uspeli da im pomognu da viziju pretvore u realnost.

(Telegraf Nauka/ SciTech Daily)