Stanford-onderzoekers hebben een prototype gemaakt van een deeltjesversneller die op een siliciumchip past.
Op een heuvel boven Stanford University heeft het SLAC National Accelerator Laboratory een wetenschappelijk instrument van bijna 3,2 km lang. In deze gigantische versneller stroomt een stroom elektronen door een vacuümpijp, die door uitbarstingen van microgolfstraling steeds sneller vooruit gestuwd worden, totdat ze bijna de snelheid van het licht bereiken. Op deze manier wordt er een krachtige straal gecreëerd die wetenschappers van over de hele wereld gebruiken om de atomaire en moleculaire structuren van anorganische en biologische materialen te bestuderen.
Onderzoekers van Stanford en SLAC hebben nu voor het eerst een siliciumchip gemaakt die elektronen kan versnellen. Hoewel de versnelling slechts een fractie van de snelheid van het enorme instrument is, kan met behulp van een infraroodlaser, in minder dan een haarbreedte, een gigantische energieboost nagebootst worden, zo schrijven de onderzoekers in Science.
Prototype
Het team heeft een nanoschaalkanaal uit silicium gesneden, waar vervolgens onder vacuümcondities elektronen doorheen gestuurd zijn. Tijdens dit proces werden er pulsen van infraroodlicht door het transparante silicium geschenen, waardoor er een versnelling van de elektronen plaatsvond. De versneller-op-een-chip is nu nog slechts een prototype, maar zal spoedig worden opgeschaald om deeltjesbundels voldoende te versnellen om geavanceerde experimenten in de scheikunde, natuurkunde en biologie uit te kunnen voeren die niet de kracht van een enorme versneller vereisen.
In traditionele versnellers, zoals die bij SLAC, hebben de microgolven een golflengte van vier centimeter, terwijl infraroodlicht een golflengte heeft van een tiende van een mensenhaar. Dat verschil verklaart waarom infraroodlicht elektronen op zulke korte afstanden kan versnellen in vergelijking met microgolven. Maar dit betekent ook dat de fysieke kenmerken van de chip 100.000 keer kleiner moeten zijn dan de koperen structuren in een traditionele versneller. Dit vereist een nieuwe benadering van engineering.
Algoritmes
Het team loste dit probleem op door gebruik te maken van algoritmes. Deze algoritmes maakten het mogelijk om van achter naar voren te werken: eerst werd vastgesteld hoeveel lichtenergie er nodig was, waarna vervolgens de juiste nanoschaalstructuren gemaakt werden die nodig zijn om de fotonen in goed contact te brengen met de stroom van elektronen.
Het doel van de wetenschappers is om de elektronen te versnellen tot 94 procent van de lichtsnelheid. Deze snelheid zou krachtig genoeg moeten zijn voor onderzoek of medische doeleinden, zoals nieuwe bestralingstherapieën tegen kanker. Tegenwoordig nemen medische röntgenmachines veel ruimte in en wordt er gebruikgemaakt van stralingsbundels die moeilijk te concentreren zijn op tumoren. Hierdoor moeten patiënten loodschilden dragen om bijkomende schade te minimaliseren. Met behulp van de chip is het mogelijk om rechtstreeks straling aan een tumor te leveren, waardoor gezond weefsel onaangetast blijft.
Er zijn op dit moment maar een paar grote versnellers in de wereld, waardoor wetenschappers van over de hele wereld naar plaatsen moeten komen zoals SLAC. De versnellingstechnologie biedt hiermee in de toekomst mogelijk een toegankelijkere onderzoekstool.