硬币大小！微型粒子加速器问世_风闻

粒子加速器是现代科学研究和应用的重要工具，被广泛用于探索基本粒子和宇宙起源、研究物质性质以及开发新技术。传统的粒子加速器采用射频（RF）腔体进行电子加速，但它们面临着如何提高加速梯度和减小尺寸的严峻挑战。纳米光子加速器是一种全新的粒子加速器设计范式，旨在利用纳米光子结构来实现电子加速和束流控制。这种加速器具有更高的加速梯度和更紧凑的尺寸，是未来粒子加速器的重要发展方向。

鉴于此，近日来自德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Peter Hommelhoff教授和Tomáš Chlouba教授领导的研究团队联合以色列希伯来大学、德国马克斯普朗克研究所的研究人员共同在Nature上以“Coherent nanophotonic electron accelerator”为题发表重磅文章，提出了一种新型可扩展的纳米光子结构来实现电子加速器，它能够在500微米、225纳米宽的通道内同时实现粒子加速和横向光束限制，该加速器与计算机芯片一样小。该纳米光子结构能够把初始动能为28.4keV的电子加速到40.7keV，电子动能增加了43%（即12.3keV）。这项工作将推动基于高损伤阈值的介质材料的纳米光子加速器的出现，提供高达GeV/m的超高加速梯度。这种芯片上的粒子加速器将能够在医学、工业、材料研究和科学等多个领域产生重要影响。

图1：纳米光学结构中的电子束会同时经历加速和约束两个过程。丨图源：Nature 622, 476–480 (2023).

撰文 | Jack（西湖大学 博士生）

研究人员首次成功地在仅有几纳米大小的结构中实现了电子的可测加速。本图可以看到带有结构的微芯片，以及相比之下的一枚1分硬币。丨图源：FAU/Laser Physics

粒子加速器是工业、科学和医学等多个领域必不可少的工具。它们被广泛应用于各种研究和实验中，以探索物质的基本结构和性质，以及开发新的材料和技术。

在工业领域，粒子加速器可以用于材料加工、半导体制造等工艺中。通过加速粒子束轰击材料表面，可以实现材料的改性和去除污染物等目的。此外，粒子加速器还可以用于制造THz、X射线和γ射线等光源，为工业探伤、车站安检提供重要的手段。

在医学领域，粒子加速器可以用于癌症治疗中的放射治疗。通过加速粒子束轰击肿瘤细胞，可以实现高精度的治疗，减少对正常组织的损伤。此外，粒子加速器还可以用于制造新型药物和诊断设备，为医学研究和临床应用提供新的方法。

在科学领域，粒子加速器可以用于研究物质的基本结构和性质。通过加速粒子束轰击目标物质，可以产生高能粒子反应，从而揭示物质的内部结构和相互作用规律。此外，粒子加速器还可以用于研究宇宙学、天体物理学等领域的问题，为人类对宇宙的认识提供更多的信息和证据。

通常，这些粒子加速器的占地面积从几平方米（如医院中的CT机），到数十万平方米（上海光源）。然而，随着科技的不断发展，人们对于更小型、更高效的粒子加速器的需求也越来越高。

图2：电子束的群聚和散焦、散聚和聚焦过程。丨图源：Nature 622, 467-468 (2023)

传统的粒子加速器使用射频波和金属谐振腔来加速带电粒子。由于粒子经历的加速梯度受到金属表面可以承受的射频峰值场强的限制，所以该加速梯度通常限制在几十兆伏每米的数量级。相比之下，介质材料可以承受10GV/m或更高的光学场强。因此，如果能够设计和制造一种纳米光子介质结构，使其光学近场与传播的带电粒子同步，则可以实现比射频情况高两个数量级的加速梯度，从而大大减小加速器设备的大小和成本。这就是介质激光加速器（DLA），也称为纳米光子加速器的核心思想。

适当的加速器不仅加速粒子，而且约束它们。这样，粒子损失很大程度上得到了缓解。对于介质激光加速器来说，由于其亚微米加速通道尺寸，这种约束甚至更重要。类似于传统的射频加速器，近场可以加速粒子，但是在介质激光加速器中，这种近场是光学性质的。为了确保近场是强烈的，加速通道的宽度应等于驱动波长的约十分之一。因此研究人员选择了225纳米的宽度和1.93微米的驱动波长，最长加速器结构（500微米长）的长度与宽度的纵横比超过2200。

研究人员用来横向约束纳米光子加速通道中的粒子的技术被称为交替相位聚焦（APF），这种方法绕过了恩绍定理（Earnshaw’s theorem）的限制，因为该定理不允许在所有三个维度上同时聚焦或校准电荷粒子束，因为它在一个方向上重新聚焦束状电子束，就会在另一个方向上使它散焦。而在本研究的结构中，聚焦和散焦的作用被反转，导致束状粒子束在所有三个维度上的净约束和引导。这种复杂的电子相位操纵技术也适用于光学频率和介质纳米结构，以主动引导电子束通过纳米宽的通道。在这里，研究人员创造性地将交替相位聚焦技术与加速相结合，以约束粒子束并加速纳米制造结构中的粒子束长达500微米。

研究人员将交替相位聚焦（具有120°和240°相位跳变）与特殊设计的锥形结构几何形状相结合，以便利纳米光子相干加速和脉冲电子束准直的组合。在实验中，研究人员使用了多达25个间隙，将多达26个加速器宏单元彼此分开，由于粒子速度的增加，所以每个宏单元都不同于其他宏单元。

为了演示与交替相位聚焦相结合的加速，研究人员制造了许多相同设计的结构，其长度各不相同，从200微米到500微米（图3）。对于200微米、300微米、400微米和500微米长的结构，研究人员实验观察到平均能量增益分别为4.59±0.29千电子伏、6.57±0.32千电子伏、9.05±0.24千电子伏和10.8±0.29千电子伏。这些与数值仿真计算结果相匹配，仿真结果分别为4.5千电子伏、6.6千电子伏、8.8千电子伏和11.9千电子伏。这些平均值是在同一设计的不同结构上进行测量得出的，其中一些结构可能由于制造误差而不完美。在最好的500微米长的结构中，加速将电子从28.4千电子伏提升到40.7千电子伏，表示电子动能有43%显著增加。在所有情况下，加速电子的狭窄峰值与模拟结果相匹配，表明这种方法已实现了与交替相位聚焦相结合的电子相干加速。

图3：纳米光子加速结构。丨图源：Nature 622, 476–480 (2023).

在光子纳米结构内部借助激光加速电子代表了一种微观替代方案，有望在成本和尺寸上降低几个数量级。这种技术利用了纳米尺度上的光学效应，通过将激光束聚焦到微小的光子纳米结构中，可以实现对电子的高效加速。与传统的粒子加速器相比，这种微观加速器具有许多优势。

首先，微观加速器的尺寸非常小，可以适应各种应用场景。由于其体积小，它可以被集成到各种设备和系统中，如医疗设备、实验室设备等。这使得微观加速器在医疗领域的应用前景非常广阔。例如，它可以用于癌症治疗中的放射治疗，通过对肿瘤细胞进行精确照射，实现高精度的治疗。此外，微观加速器还可以用于制造新型材料和器件，为科学研究和工业应用提供新的可能性。

其次，微观加速器的成本相对较低。传统的粒子加速器需要大量的能源和设备投入，造价昂贵。而微观加速器则可以利用现有的光学技术和纳米制造技术，大大降低了成本。此外，由于其体积小，运行和维护成本也相对较低。这使得微观加速器在资源有限的地区和机构中具有更大的应用潜力。

更重要的是，微观加速器的运行效率较高。传统的粒子加速器需要通过复杂的电磁场和粒子束控制系统来实现对粒子的加速和控制。而微观加速器则可以通过激光的聚焦和调节来实现对电子的高效加速。这种技术不仅可以提高粒子的加速效率，还可以实现对粒子束的精确控制。这对于科学研究和工业应用来说非常重要，可以提高实验的准确性和效率。

最后，微观加速器具有较低的能量损失。传统的粒子加速器在加速过程中会产生大量的能量损失，导致粒子的能量无法完全利用。而微观加速器则可以通过优化光子纳米结构的设计，减少能量损失，提高粒子的能量利用率。这有助于提高粒子加速器的性能和效率。

然而，微观加速器也存在一些挑战和限制。首先，微观加速器的技术仍处于发展阶段，需要进一步的研究和改进。目前，微观加速器的加速效率和稳定性仍然有待提高。其次，微观加速器的应用范围相对较窄，主要适用于低能电子的加速和控制。对于高能粒子的加速和研究，传统粒子加速器仍然是不可替代的工具。

总之，粒子加速器作为工业、科学和医学等领域的重要工具，其重要性不言而喻。这项研究中的纳米光子加速器实现了22.7MeV/m的平均加速梯度，还远远没有达到GeV/m的介质加速梯度上限，但已经与当今用于相对论电子的射频加速器的梯度相当。文章指出，未来进一步的研究方向是，改进结构设计和系统地努力实现GeV/m的加速梯度，同时瞄准更大的电子电流。相信随着科学技术的进步，微观加速器将在未来的科学研究和工业应用中发挥越来越重要的作用。

论文信息

Chlouba, T., Shiloh, R., Kraus, S. et al. Coherent nanophotonic electron accelerator. Nature 622, 476–480 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06602-7

本文经授权转载自微信公众号“中国光学”，监制：赵阳；编辑：赵唯。

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