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在激光束上“冲浪”的电子

发布:opticsphotonics    |    2017-10-12 17:23    阅读:93
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由 ORNL供图

瑞士欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机是世界上最大的加速器,周长约26公里。德国埃尔朗根——纽伦堡大学(FAU)的研究人员正试图向另一个极端发展,构建世界上最小的加速器——一种适合微型芯片的加速器。该研究团队现在已经为实现这一目标迈出了一大步。

该研究团队的基本思想是让科学家们能够使用激光束来加速电子。在理论上听起来很简单,但在实践操作中遇到了一系列的挑战,因为涉及到物理的各个领域。例如,科学家们需要能够在很高的精度上控制激光的振荡和电子的运动,以确保它们能够在恰当的时刻相遇。

这一构思可以想象成行驶在风雨如磐海洋上的一艘船;要想在海浪的一端安全地上升并在另一端安全降落,舵手必须注视迎面而来的波浪,并判断何时相遇。同样重要的是,FAU的研究团队要确定光波波峰撞到电子群的时间和位置,以便它们可以掌握一个非常具体的程度来影响结果。这意味着他们需要使光波和电子在“阿秒”(一秒的十亿分之一的十亿分之一)时间内重合。

令人兴奋的是,这正是由Peter Hommelhoff博士领导的研究团队完成的。该团队开发了一种新技术,两个不同振荡频率的激光在相交处产生特殊的光场,研究人员可以通过非常精确的程度影响其性质。该光场的关键特性是可以保持与电子的关联,有效地与它们一起移动,形成一种行波,因此电子可以连续地的在光场中感应或“冲浪”。以这种方式,可以将光场的特性精确地传递给粒子。

此过程不仅可以让粒子精确地反应光场的结构,而且还可以将它们加速到惊人的程度。这种效应对于微型粒子加速器至关重要,因为它涉及到能够将多少能量转移到电子,以及它们的运动距离。加速梯度表示为电子最大能量增益与距离的比值,该过程的加速梯度达到了每米22亿电子伏特的极高值,远远高于常规加速器所获得的结果。然而,Erlangen研究团队现在可以利用的加速距离只有0.01毫米,不足以产生实际应用所需的能量。“尽管如此,对于药物中的粒子加速器,我们只需要一个小于1毫米的极小的加速距离,”进行实验研究的MartinKozák博士解释说。

FAU该项目的负责人Peter Hommelhoff博士认为,加速器小型化将成为类似于计算机小型化的技术革命。“这种方法将有望让我们能够使这种创新的粒子加速技术应用于一系列研究领域和应用领域,如材料科学、生物学和医学——可以应用于癌症患者的粒子治疗。”

更多信息详见《Nature Physics》 ( DOI: 10.1038/nphys4282)

来源:https://phys.org/news/2017-10-electrons-surfing-laser.html

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