Os engenheiros elétricos do grupo de física do acelerador da TU Darmstadt desenvolveram um projeto para um acelerador de elétrons movido a laser tão pequeno que poderia ser produzido em um chip de silício. Seria barato e com vários aplicativos. O design, que foi publicado em Cartas de revisão física , agora está sendo realizado como parte de uma colaboração internacional.

Os aceleradores de partículas são geralmente grandes e caros, mas isso logo mudará se os pesquisadores fizerem o que querem. O Programa Internacional Acelerador em um Chip (AChIP), financiado pela Fundação Gordon and Betty Moore nos EUA, visa criar um acelerador de elétrons em um chip de silício. A ideia fundamental é substituir as peças do acelerador feitas de metal por vidro ou silício, e usar um laser em vez de um gerador de microondas como fonte de energia. Devido à maior capacidade de carga de campo elétrico do vidro, a taxa de aceleração pode ser aumentada e, portanto, a mesma quantidade de energia pode ser transmitida às partículas dentro de um espaço mais curto, tornando o acelerador mais curto por um fator de aproximadamente 10 do que os aceleradores tradicionais que fornecem a mesma energia.

Um dos desafios aqui é que o canal de vácuo para os elétrons em um chip deve ser muito pequeno, o que requer que o feixe de elétrons seja extremamente focalizado. Os canais de foco magnético usados ​​em aceleradores convencionais são muito fracos para isso. Isso significa que um método de foco inteiramente novo deve ser desenvolvido para que o acelerador em um chip se torne realidade.

Como parte da área de perfil da Matter and Radiation Science da TU Darmstadt, o grupo AChIP em física do acelerador (Faculdade de Engenharia Elétrica e Tecnologia da Informação da TU Darmstadt), liderado pelo cientista júnior Dr. Uwe Niedermayer, recentemente propôs uma solução decisiva que exige o uso dos próprios campos de laser para concentrar os elétrons em um canal de apenas 420 nanômetros de largura. O conceito é baseado em mudanças abruptas na fase dos elétrons em relação ao laser, resultando na alternância de foco e desfocagem nas duas direções no plano da superfície do chip. Isso cria estabilidade em ambas as direções. O conceito pode ser comparado a uma bola em uma sela - a bola vai cair, independentemente da direção em que a sela se inclina. Contudo, girar a sela continuamente significa que a bola permanecerá estável na sela. Os elétrons no canal do chip fazem o mesmo.

Perpendicular à superfície do chip, foco mais fraco é suficiente, e um único ímã quadrupolo abrangendo todo o chip pode ser usado. Este conceito é semelhante ao de um acelerador linear convencional. Contudo, para um acelerador em um chip, a dinâmica do elétron foi alterada para criar um design bidimensional que pode ser realizado usando técnicas litográficas da indústria de semicondutores.

Niedermayer é atualmente um cientista visitante na Universidade de Stanford; a universidade americana está liderando o programa AChIP junto com a Universidade de Erlangen na Alemanha. Em Stanford, ele está colaborando com outros cientistas da AChIP com o objetivo de criar um acelerador em um chip em uma câmara experimental do tamanho de uma caixa de sapatos. Um sistema disponível comercialmente, adaptado por meio de complicadas óticas não lineares, é usado como fonte de laser. O objetivo do programa AChIP, que tem financiamento até 2020, é produzir elétrons com um volt de megelétron de energia do chip. Isso é aproximadamente igual à voltagem elétrica de um milhão de baterias. Um objetivo adicional é criar ultracurtos ( <10 ^-15 segundos) pulsos de elétrons, conforme exigido pelo design de um acelerador escalonável em um chip desenvolvido em Darmstadt.

Aplicações na indústria e medicina

As possíveis aplicações de um acelerador como esse seriam na indústria e na medicina. Um objetivo importante a longo prazo é criar uma fonte de feixe de raios X coerente e compacta para a caracterização de materiais. Um exemplo de aplicação médica seria um endoscópio acelerador que poderia ser usado para irradiar tumores nas profundezas do corpo com elétrons.

Uma vantagem particular desta nova tecnologia de acelerador é que os chips podem ser produzidos de forma barata em grande número, o que significaria que o acelerador estaria ao alcance do homem na rua e cada universidade poderia pagar seu próprio laboratório de aceleração. Oportunidades adicionais incluiriam o uso de fontes de feixe de raios-X coerentes e baratas em processos fotolitográficos na indústria de semicondutores, o que tornaria possível uma redução no tamanho do transistor em processadores de computador, junto com um maior grau de densidade de integração.