Физики близки к созданию ускорителя на кончике пальца

Команда Нидермайера (в центре) придумала и протестировала способ удержания электронов в чрезвычайно узком пучке.

Фото Andrew Ceballos.

Ускоритель частиц размером с микросхему вскоре может стать реальностью. Учёные придумали, как удерживать электроны в пучке диаметром менее 0,5 микрометра.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters группой во главе с Уве Нидермайером (Uwe Niedermayer) из Дармштадтского технического университета в Германии.

При слове "ускоритель" многим представляется махина размером с Большой адронный коллайдер. Однако миниатюрная установка, разгоняющая электроны, тоже была бы весьма полезна. Разумеется, не для того чтобы пролить свет на тайны физики частиц, а для вполне практических приложений.

Например, ускоритель размером с рисовое зерно можно было бы имплантировать в организм и прицельно облучать электронами раковую опухоль. Он может использоваться и как компактный источник рентгеновских лучей для обследования различных конструкций. Пригодится подобное устройство и при изготовлении электроники. Оно сделает транзисторы ещё меньше, а плотность их расположения на микросхеме ещё больше (это позволит получить более миниатюрные и производительные компьютеры). Разумеется, все эти применения станут оправданными лишь в том случае, если аппарат будет недорогим.

Созданию дешёвого микроускорителя электронов посвящён проект AChIP, то есть Accelerator on Chip International ("международный ускоритель на чипе"). По замыслу разработчиков, основой устройства должна стать кремниевая микросхема. Энергия для ускорения частиц будет "поставляться" лазерным лучом.

Однако возникает вопрос: как удержать электроны в узком пучке? В обычных ускорителях для этого используются магнитные поля больших электромагнитов. Но для столь миниатюрного устройства такое решение не годится. Именно эту проблему и решила группа Нидермайера.

Команда Нидермайера (в центре) придумала и протестировала способ удержания электронов в чрезвычайно узком пучке.
Команда Нидермайера (в центре) придумала и протестировала способ удержания электронов в чрезвычайно узком пучке.

Как известно, электромагнитная волна (в том числе и лазерное излучение) представляет собой "чехарду" из электрического и магнитного полей, порождающих друг друга. Физики разработали схему работы лазера, в которой эти поля не только передают электронам энергию, но и удерживают их от разбегания по двум осям. За третьей осью, перпендикулярной поверхности чипа, нужен более слабый контроль, и здесь справляется обычный квадрупольный магнит.

При работе такого устройства формируется стабильный пучок ускоренных электронов диаметром всего 420 нанометров. Расчёты физиков уже проверены в эксперименте. К слову, при этом использовался вполне обычный серийно выпускаемый лазер, снабжённый специально разработанным устройством, меняющим режим его работы.

Важно, что вся конструкция может быть изготовлена обычными литографическими методами производства микросхем.

Однако цель программы AChIP пока не достигнута. Для коммерческого использования требуется, чтобы энергия частиц достигала миллиона электрон-вольт, и эту проблему ещё предстоит решить. Кроме того, физики хотели бы "научить" своё детище выдавать электроны ультракороткими (продолжительностью менее фемтосекунды) импульсами. Это значительно расширило бы диапазон возможных применений устройства.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) неоднократно писали о небольших ускорителях. Так, мы говорили о системах, которые умещаются на столе, при этом производя антиматерию и показывая рекордный в своём классе уровень энергии. Также мы говорили о том, как в создании миниатюрного, но мощного ускорителя могут помочь пузырьки водорода.