芯片大小的粒子加速器

　　該圖像放大了25,000倍，顯示了原型加速器芯片的一部分。此處顯示的部分是人頭發的寬度的1/10。形狀奇特的灰色結構是刻在硅上的納米級結構，可將通過黃色和紫色顯示的紅外激光束聚焦在通過中心通道的電子流上。當電子從左向右傳播時，聚焦在通道中的光與通過的粒子小心地同步，以使它們以越來越大的速度向前移動。斯坦福大學的研究人員希望通過將1000個這樣的加速通道裝在一個英寸大小的芯片上，以產生以光速94％的速度移動的電子束，并將這種激發的粒子流用于研究和醫學應用。供圖：尼爾·薩普拉（Neil Sapra）

　　SLAC國家加速器實驗室位于斯坦福大學上方的山坡上，運行著近2英里長的科學儀器。在這種巨大的加速器中，電子流流過真空管，隨著微波輻射的爆發將粒子向前推動得越來越快，直到它們的速度接近光速，從而產生了強大的粒子束，世界各地的科學家都可以使用它探測無機或生物材料的原子和分子結構。

　　SLAC國家加速器實驗室

　　現在，斯坦福大學和SLAC的科學家們首次制造出了一種硅芯片，該芯片可以使用紅外激光來加速電子，寬度小于頭發絲的寬度。相對來說微波加速需要數英尺長。

　　由電氣工程師耶琳娜·武科維奇（Jelena Vuckovic）領導的團隊在1月3日的《科學》雜志上寫道，如何從硅中雕刻出納米級通道，將其密封在真空中，并通過紅外光脈沖將電子通過該腔體 - 硅像玻璃一樣對可見光是透明的 - 通過通道壁傳輸以加快電子的運動。

　　《科學》雜志中展示的片上加速器只是一個原型，但武科維奇表示，其設計和制造技術可以擴大規模，以提供足夠速度的粒子束，以進行化學、材料科學和生物學發現方面的前沿實驗。不需要大型加速器。

　　沃科維奇說：“最大的加速器就像強大的望遠鏡。世界上只有少數幾個，科學家必須到像SLAC這樣的地方來使用它們。我們希望以一種更易于使用的研究工具的方式來使加速器技術小型化。”

　　團隊成員將他們的方法比喻為計算從大型機發展到較小但計算能力仍然強大的PC。《科學》論文的合著者物理學家羅伯特·拜爾（Robert Byer）說，片上加速器技術也可能導致新的放射療法。同樣，這也是一個大小的問題。如今，醫用X光機充滿了整個房間并發出難以聚焦的輻射，要求佩戴鉛罩以最大程度地減少附帶損害。

　　片上加速器計劃（ACHIP）的領導者拜爾說：“在本文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳遞給異常組織，而使健康組織不受影響。當前的研究是其中的一部分。”

　　沃科維奇和第一作者研究生尼爾·薩普拉（Neil Sapra）在他們的論文中解釋了該團隊如何構建一個芯片，該芯片通過硅發射紅外光脈沖，從而在適當的時間和正確的角度撞擊電子，從而使它們向前移動。比以前快一點。

　　為此，他們顛倒了設計過程。在傳統加速器中，例如SLAC的加速器，工程師通常會草擬基本設計，然后運行仿真以物理方式布置微波脈沖串，以實現最大可能的加速。微波的波長是4英寸，而紅外光的波長僅是人發寬度的十分之一。這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外光可以在這么短的距離內加速電子。但這也意味著芯片的物理特性必須是傳統加速器中的銅結構的1/100000。這就需要一種基于硅的集成光子學和光刻技術的工程新方法米樂M6。

　　沃科維奇的團隊使用她的實驗室開發的逆設計算法解決了該問題。這些算法允許研究人員進行后向工作，方法是指定他們希望芯片提供多少光能，并對軟件進行任務分配，并建議如何構建使光子與電子流正確接觸所需的正確納米級結構。

　　“有時候，逆設計可以提供人類工程師可能不會想到的解決方案，” SLAC的科學家，《科學》雜志的合著者R·喬爾·英格蘭（R. Joel England）說。

　　該設計算法提出的芯片布局看上去似乎與眾不同。想象一下，被硅蝕刻出的被通道隔開的納米級臺面。流經該通道的電子沿著硅絲絞線運行，在關鍵位置沖破通道壁。每次激光脈沖（每秒100,000次）都會使一束光子擊中一束電子，使它們向前加速。在斯坦福大學的團隊成員制作的真空密封硅芯片表面上，所有這些事情都發生在小于頭發的寬度。

　　研究人員希望將電子加速到光速的94％，即一百萬電子伏（1MeV），以產生足以用于研究或醫學目的的粒子流。該原型芯片僅提供單級加速，并且電子流將必須通過這些級中的大約1,000級才能達到1MeV。沃科維奇說，但這似乎并不難達到，因為該原型片上加速器是完全集成電路。這意味著創建加速所需的所有關鍵功能都直接內置在芯片中，并且增加其功能應該相當簡單米樂。

　　研究人員計劃在2020年底之前在大約一英寸的芯片空間中封裝1000個加速級，以達到其1MeV目標。盡管這將是一個重要的里程碑，但這種設備的功率仍將與SLAC研究加速器的功能相提并論，后者可產生比1MeV高30,000倍的能量。但是拜爾認為，就像晶體管最終取代電子設備中的真空管一樣，基于光的設備有一天將挑戰微波驅動加速器。