Por primera vez, los investigadores han utilizado con éxito un nanodispositivo para acelerar electrones. Los aceleradores de partículas son herramientas importantes en muchos campos, incluidos la industria, la investigación y la medicina. El espacio necesario para estas máquinas va desde unos pocos metros cuadrados hasta grandes centros de investigación. El uso de láseres para acelerar electrones en nanoestructuras fotónicas es una alternativa microscópica que tiene el potencial de reducir significativamente los costos y permitir que los dispositivos sean significativamente más pequeños.
Hasta el momento, no hay evidencia de que este enfoque pueda aumentar significativamente la energía. En otras palabras, no se ha demostrado que la velocidad de los electrones haya aumentado significativamente. Ahora, un equipo de físicos láser de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg (FAU), junto con colegas de la Universidad de Stanford, ha demostrado con éxito el primer acelerador de electrones nanofotónico.
Aceleradores de partículas y su evolución de nanofotones.
Cuando la gente escucha "acelerador de partículas", la mayoría de la gente probablemente piensa en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra. Este túnel circular de 27 kilómetros de longitud es utilizado por investigadores de todo el mundo para estudiar partículas elementales desconocidas. Sin embargo, este gigantesco acelerador de partículas es una excepción. Es más probable que los encontremos en otros lugares de nuestra vida diaria, como durante procedimientos de imágenes médicas o tratamientos de radiación de tumores. Sin embargo, aun así, estos dispositivos siguen midiendo varios metros, son bastante voluminosos y dejan mucho que desear en cuanto a rendimiento.
En un esfuerzo por mejorar y reducir el tamaño de los dispositivos existentes, físicos de todo el mundo están trabajando en aceleradores láser dieléctricos, también conocidos como aceleradores de nanofotones. La estructura que utilizaron tiene sólo 0,5 milímetros de largo y el canal a través del cual se aceleran los electrones tiene sólo unos 225 nanómetros de ancho, lo que hace que estos aceleradores sean tan pequeños como chips de computadora.
Las partículas se aceleran mediante pulsos láser ultracortos que iluminan las nanoestructuras. "La aplicación de nuestros sueños sería montar un acelerador de partículas en un endoscopio para poder administrar radioterapia directamente a las partes afectadas del cuerpo", explica el Dr. Tomáš Chlouba, uno de los cuatro autores principales del artículo publicado recientemente.
Este sueño aún puede estar fuera del alcance del equipo de la FAU del Departamento de Física Láser, dirigido por el profesor Peter Hommelhoff y compuesto por los Dres. Tomáš Chlouba, el Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner y Julian Litzel, pero ahora han logrado dar un paso decisivo en la dirección correcta al demostrar un acelerador de electrones nanofotónico. El Dr. Roy Shiloh dijo entusiasmado: "Por primera vez podemos implementar un acelerador de partículas en un chip".
Electrones guiados + aceleración = acelerador de partículas
Hace poco más de dos años, el equipo de investigación logró su primer gran avance: utilizaron con éxito el método de enfoque de fase alterna (APF) de la teoría temprana de la aceleración para controlar el flujo de electrones a larga distancia en un canal de vacío. Este es un paso importante en el camino hacia la construcción de aceleradores de partículas. Ahora, todo lo que necesitas para conseguir mucha potencia es aceleración.
"Con esta técnica hemos conseguido no sólo guiar los electrones, sino también acelerarlos en estas estructuras nanofabricadas de hasta medio milímetro de longitud", explica Stephanie Kraus. "Aunque a muchos esto no les parezca un gran logro, es un gran éxito en el campo de la física de aceleradores y alcanzamos energías de 12 kiloelectronvoltios", explica Leon Brückner.
Para acelerar partículas a distancias tan grandes (desde la escala nanométrica), los físicos de la FAU combinaron el método APF con una geometría cilíndrica especialmente desarrollada.
Sin embargo, esta demostración es sólo el comienzo. El objetivo ahora es aumentar la energía y la ganancia de corriente de electrones para que los aceleradores de partículas en chips sean suficientes para aplicaciones médicas. Para ello, es necesario aumentar la ganancia de energía en aproximadamente un factor de 100. Tomáš Chlouba explica lo que sigue para los físicos láser de la FAU.
Los resultados de la investigación de los físicos láser de Erlangen fueron presentados casi al mismo tiempo por sus colegas de la Universidad de Stanford (EE.UU.): sus resultados están actualmente bajo revisión, pero pueden consultarse en la base de datos. En un proyecto financiado por la Fundación Gordon y Betty Moore, los dos equipos están colaborando para implementar un "acelerador en un chip".
"En 2015, el equipo ACHIP dirigido por la FAU y Stanford tuvo la visión de un enfoque revolucionario para el diseño de aceleradores de partículas", dijo el Dr. Gary Greenberg de la Fundación Gordon y Betty Moore. "Nos complace que nuestro apoyo haya ayudado a convertir esta visión en realidad".