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(noticias nanowerk) Los investigadores de Stanford están cada vez más cerca de construir un pequeño acelerador de electrones basado en la tecnología de “acelerador en un chip” con diversas aplicaciones en física, medicina e industria.
Los investigadores han demostrado que un acelerador láser de silicio dieléctrico (DLA) ahora puede acelerar y confinar electrones, creando un haz enfocado de electrones de alta energía. «Si los electrones fueran automóviles microscópicos, sería como si estuviéramos conduciendo y tuviéramos el pie en el acelerador por primera vez», dijo Payton Broaddus, PhD ’23 en ingeniería eléctrica y autor principal de un artículo publicado en Cartas de examen físico (“Aceleradores láser dieléctricos de enfoque de fase alterna subrelativista”).
Llevando los aceleradores de millas a micrómetros
Los aceleradores producen haces de partículas de alta energía que permiten a los físicos estudiar las propiedades de los materiales, crear sondas enfocadas para aplicaciones médicas e identificar los componentes fundamentales que componen toda la materia del universo. Algunos de los primeros aceleradores de partículas de alta energía, desarrollados en la década de 1930, caben sobre una mesa. Sin embargo, explorar una física más avanzada requirió energías de partículas más altas, lo que obligó a los científicos a construir sistemas más grandes. (El túnel del acelerador lineal original en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en el campus de Stanford comenzó a funcionar en 1966 y tiene casi 2 millas de largo).
Si bien estos sistemas han hecho posibles numerosos descubrimientos en física de partículas, Broaddus se esfuerza por construir un pequeño acelerador lineal que eventualmente podría rivalizar con las capacidades de máquinas más de mil veces más grandes por una fracción del costo. Esto también permitiría nuevas aplicaciones en medicina, como la capacidad de conectar este dispositivo a una pequeña sonda y disparar con precisión un haz de electrones a un tumor. «Existe la oportunidad de sustituir completamente cualquier otro acelerador de partículas por algo que sea más barato y más pequeño», afirmó.
Gracias a los avances en la fabricación a nanoescala y los láseres, esta visión es cada vez más posible, dijo Olav Solgaard, director del Laboratorio Edward L. Ginzton y profesor Robert L. y Audrey S. Hancock en la Escuela de Ingeniería y autor principal del artículo. Los aceleradores tradicionales de alta frecuencia consisten en cavidades de cobre que se bombean con ondas de radio que dan a las partículas un impulso de energía. Estos pulsos pueden calentar el metal, por lo que las cavidades deben funcionar con menor energía y frecuencia de pulso para disipar el calor y evitar que se derrita.
Pero las estructuras de vidrio y silicio pueden soportar pulsos láser de mucha mayor energía sin calentarse, lo que les permite ser mucho más potentes y al mismo tiempo más pequeños. Hace unos diez años, los investigadores de Stanford comenzaron a experimentar con estructuras a nanoescala hechas de estos materiales. En 2013, un equipo dirigido por el coautor Robert Byer, profesor emérito William R. Kenan Jr., demostró que un pequeño acelerador de vidrio que utilizaba luz infrarroja pulsante había acelerado electrones con éxito. Estos resultados llevaron a que la Fundación Gordon y Betty Moore se hiciera cargo del proyecto como parte de la colaboración internacional Accelerator on a Chip (ACHIP) para producir un acelerador de megaelectronvoltios del tamaño de una caja de zapatos.
Pero este primer “acelerador en un chip” todavía tenía que resolver algunos problemas. Como dice Broaddus, los electrones del interior eran como coches en una carretera estrecha sin volante. Podrías acelerar muy rápidamente, pero con la misma facilidad chocarías contra una pared.
Controlando electrones con láseres.
Ahora, este equipo de investigadores de Stanford ha demostrado con éxito que también pueden controlar electrones a nanoescala. Para ello, construyeron una estructura de silicio con un canal submicrométrico en un sistema de vacío. Inyectaron electrones en un extremo e iluminaron la estructura desde ambos lados con un pulso láser moldeado que emitía ráfagas de energía cinética. A intervalos regulares, los campos láser alternaban entre propiedades de enfoque y desenfoque, concentrando los electrones y evitando que se desviaran.
En general, esta cadena de aceleración, desenfoque y enfoque afectó a los electrones en una distancia de casi un milímetro. Puede que no parezca muy lejos, pero estas partículas cargadas estaban teniendo mucha fuerza, ganando 23,7 kiloelectrones voltios de energía, alrededor de un 25% más que su energía inicial. La tasa de aceleración que el equipo pudo lograr con su pequeño prototipo de acelerador es comparable a la de los aceleradores de cobre tradicionales, y Broaddus añade que son posibles tasas de aceleración mucho más altas.
Aunque se trata de un avance significativo, es necesario hacer más antes de que estos pequeños aceleradores puedan utilizarse en la industria, la medicina y la investigación. Hasta ahora, la capacidad del equipo para controlar electrones se ha limitado a dos dimensiones; Se requiere un confinamiento de electrones tridimensional para que el acelerador sea lo suficientemente largo como para lograr mayores ganancias de energía.
carrera de relevos de electrones
Un grupo de investigación hermano de la Universidad Friedrich-Alexander (FAU) en Erlangen demostró recientemente un dispositivo similar que utiliza un solo láser y una energía inicial mucho menor. Este y el dispositivo de Stanford serán en última instancia parte de una especie de carrera de relevos de electrones, dijo Broaddus.
Este futuro escuadrón tendría tres compañeros de equipo: el dispositivo FAU tomaría electrones de baja energía y les daría una patada inicial, y luego podrían introducirse en un dispositivo similar al que está desarrollando Broaddus. El paso final para los electrones sería un acelerador de vidrio como el desarrollado por Byer. El vidrio puede resistir efectos láser aún más fuertes que el silicio, lo que permite que el acelerador excite aún más los electrones y los lleve a la velocidad de la luz.
En última instancia, Solgaard cree que un acelerador tan pequeño será útil en la física de altas energías porque, al igual que sus homólogos más grandes, explorará la materia fundamental que constituye el universo. «Aún nos queda un camino muy, muy largo por recorrer», afirmó. Sin embargo, se muestra optimista y añade: “Hemos dado los primeros pasos”.
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