最小粒子加速器可以放進筆尖里

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日前，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學的研究人員制造出一個長度僅為0.2毫米的粒子加速器，是迄今為止同類設備中最小的，甚至小到可以裝在筆尖里。該粒子加速器是第一個能夠產生快速且聚焦良好的電子束的微型加速器，可以將電子加速到每秒10萬公里，有望應用于醫學領域。相關研究成果近日發表于《自然》。

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微小粒子加速器的側視圖。

圖片來源：Tomá? Chlouba, Roy Shiloh, Stefanie Kraus, et al.

大型強子對撞機或醫療設施中用于治療癌癥的粒子加速器，大多利用電場和磁鐵加速電子等粒子，這些電場通常是由無線電波產生，其波長以米或厘米為單位。埃爾蘭根-紐倫堡大學的Peter Hommelhoff和合作者選擇使用一種不同的電磁波“光”來加速粒子，這種電磁波的波長要短得多，只有幾百納米。這使得他們能夠將加速器的尺寸從幾公里寬縮小到一毫米以下。

為了制造它，研究人員使用了數千根2微米高的硅柱，并將它們排列成兩條平行線，每條線長0.2毫米。為了運行加速器，他們從上方將激光照射到這條柱狀“跑道”上，同時從側面注入電子。來自激光的光波與柱體相互作用產生電磁場，使電子聚集在一起形成狹窄的束。這些粒子團以每秒10萬公里的速度加速穿過結構。

該團隊嘗試在“跑道”上增加更多柱體。當他們制造出一個0.5毫米長的版本時，發現可以以更快速度加速電子，使電子攜帶的能量增加43%。Hommelhoff說，這表明加速器是可擴展的，可以在保持足夠小的同時變得更強大，也可以集成在芯片上，甚至可以直接集成在光纖末端。

美國加州大學洛杉磯分校的Pietro Musumeci說，之前雖然已經建造了一些微型加速器，但這是第一個不僅可以加速電子，還可以將它們限制在一個相對狹窄的光束中用于科學實驗的設備。

目前，這種新設備給電子的能量只有大型加速器的百萬分之一。但Hommelhoff說，可能有辦法提高每個電子的能量。他認為用一種叫做熔融二氧化硅的玻璃材料制作這些柱體會有幫助，這種材料可以承受更強的激光。

Hommelhoff說，科學家在20世紀60年代首次提出使用光來收縮加速器，但當時工程上的挑戰使其難以實施。

“我們最終可以縮小加速器，并且可以將它們放進筆尖，可以考慮為醫生提供新的治療工具或為生物實驗室提供小型消毒工具。”Hommelhoff說。