Em uma colina acima da Universidade de Stanford, o SLAC National Accelerator Laboratory opera um instrumento científico com quase 2 milhas de comprimento. Neste acelerador gigante, um fluxo de elétrons flui através de um tubo de vácuo, conforme rajadas de radiação de micro-ondas empurram as partículas para frente cada vez mais rápido até que sua velocidade se aproxime da velocidade da luz, criando um feixe poderoso que cientistas de todo o mundo usam para sondar as estruturas atômicas e moleculares de materiais inorgânicos e biológicos.

Agora, pela primeira vez, cientistas de Stanford e SLAC criaram um chip de silício que pode acelerar elétrons - embora a uma fração da velocidade desse instrumento enorme - usando um laser infravermelho para fornecer, em menos de um fio de cabelo, o tipo de aumento de energia que leva um micro-ondas a muitos metros.

Escrito na edição de 3 de janeiro de Ciência , uma equipe liderada pela engenheira elétrica Jelena Vuckovic explicou como eles criaram um canal em nanoescala de silício, selou-o no vácuo e enviou elétrons através dessa cavidade enquanto pulsos de luz infravermelha - para a qual o silício é tão transparente quanto o vidro para a luz visível - eram transmitidos pelas paredes do canal para acelerar o fluxo dos elétrons.

O acelerador em um chip demonstrado em Ciência é apenas um protótipo, mas Vuckovic disse que suas técnicas de design e fabricação podem ser ampliadas para fornecer feixes de partículas acelerados o suficiente para realizar experimentos de ponta em química, ciência dos materiais e descoberta biológica que não requerem a potência de um acelerador massivo.

"Os maiores aceleradores são como telescópios poderosos. Existem apenas alguns no mundo e os cientistas devem ir a lugares como o SLAC para usá-los, "Vuckovic disse." Queremos miniaturizar a tecnologia do acelerador de uma forma que a torne uma ferramenta de pesquisa mais acessível. "

Os membros da equipe comparam sua abordagem à maneira como a computação evoluiu do mainframe para o PC menor, mas ainda útil. A tecnologia do acelerador em um chip também pode levar a novas terapias de radiação contra o câncer, disse o físico Robert Byer, um co-autor do Ciência papel. Novamente, é uma questão de tamanho. Hoje, máquinas médicas de raios-X enchem uma sala e fornecem um feixe de radiação difícil de enfocar em tumores, exigindo que os pacientes usem protetores de chumbo para minimizar os danos colaterais.

"Neste artigo, começamos a mostrar como pode ser possível distribuir radiação de feixe de elétrons diretamente para um tumor, deixando o tecido saudável não afetado, "disse Byer, que lidera o Accelerator em um Programa Internacional de Chip, ou ACHIP, um esforço mais amplo do qual esta pesquisa atual faz parte.

Design inverso

Em seu jornal, Vuckovic e o estudante de graduação Neil Sapra, o primeiro autor, explicar como a equipe construiu um chip que dispara pulsos de luz infravermelha através do silício para atingir os elétrons no momento certo, e apenas o ângulo certo, para movê-los um pouco mais rápido do que antes.

Para conseguir isso, eles viraram o processo de design de cabeça para baixo. Em um acelerador tradicional, como o do SLAC, os engenheiros geralmente elaboram um projeto básico, em seguida, execute simulações para organizar fisicamente as explosões de microondas para fornecer a maior aceleração possível. Mas as microondas medem 10 centímetros do pico ao vale, enquanto a luz infravermelha tem um comprimento de onda de um décimo da largura de um cabelo humano. Essa diferença explica por que a luz infravermelha pode acelerar elétrons em distâncias tão curtas em comparação com as microondas. Mas isso também significa que as características físicas do chip devem ser 100, 000 vezes menor que as estruturas de cobre de um acelerador tradicional. Isso exige uma nova abordagem para a engenharia baseada em litografia e fotônica integrada de silício.

A equipe de Vuckovic resolveu o problema usando algoritmos de design inverso que seu laboratório desenvolveu. Esses algoritmos permitiram que os pesquisadores trabalhassem para trás, especificando quanta energia de luz eles queriam que o chip entregasse, e incumbir o software de sugerir como construir as estruturas em nanoescala certas necessárias para colocar os fótons em contato adequado com o fluxo de elétrons.

"As vezes, projetos inversos podem produzir soluções que um engenheiro humano pode não ter pensado, "disse R. Joel England, um cientista da equipe SLAC e co-autor no Ciência papel.

O algoritmo de design surgiu com um layout de chip que parece quase sobrenatural. Imagine mesas em nanoescala, separados por um canal, gravado em silicone. Os elétrons que fluem através do canal percorrem uma gantlet de fios de silício, cutucando a parede do cânion em locais estratégicos. Cada vez que o laser pulsa - o que ele faz 100, 000 vezes por segundo, uma explosão de fótons atinge um monte de elétrons, acelerando-os para frente. Tudo isso ocorre em menos de um fio de cabelo, na superfície de um chip de silício selado a vácuo, feito por membros da equipe em Stanford.

Os pesquisadores querem acelerar os elétrons a 94 por cento da velocidade da luz, ou 1 milhão de elétron-volts (1MeV), para criar um fluxo de partículas poderoso o suficiente para fins médicos ou de pesquisa. Este protótipo de chip fornece apenas um único estágio de aceleração, e o fluxo de elétrons teria que passar por cerca de 1, 000 dessas etapas para atingir 1MeV. Mas isso não é tão assustador como pode parecer, disse Vuckovic, porque este protótipo de acelerador em um chip é um circuito totalmente integrado. Isso significa que todas as funções críticas necessárias para criar aceleração estão embutidas no chip, e aumentar suas capacidades deve ser razoavelmente simples.

Os pesquisadores planejam embalar mil estágios de aceleração em cerca de uma polegada de espaço do chip até o final de 2020 para atingir sua meta de 1MeV. Embora isso seja um marco importante, tal dispositivo ainda perderia a potência ao lado das capacidades do acelerador de pesquisa SLAC, que pode gerar níveis de energia 30, 000 vezes maior que 1MeV. Mas Byer acredita que, assim como os transistores eventualmente substituíram as válvulas eletrônicas, dispositivos baseados em luz um dia desafiarão as capacidades dos aceleradores acionados por microondas.

Enquanto isso, em antecipação ao desenvolvimento de um acelerador 1MeV em um chip, engenheiro eletricista Olav Solgaard, um co-autor no artigo, já começou a trabalhar em um possível aplicativo de combate ao câncer. Hoje, elétrons altamente energizados não são usados ​​para radioterapia porque queimam a pele. Solgaard está trabalhando em uma maneira de canalizar elétrons de alta energia de um acelerador do tamanho de um chip através de um tubo de vácuo semelhante a um cateter que pode ser inserido abaixo da pele, bem ao lado de um tumor, usando o feixe de partículas para administrar a radioterapia cirurgicamente.

"Podemos obter benefícios médicos da miniaturização da tecnologia do acelerador, além das aplicações de pesquisa, "Solgaard disse.