Teilchenbeschleuniger on a Chip

19.01.2020

Ein kleiner Siliziumchip kann Elektronen auf über 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bringen. Das hat die Arbeitsgruppe um Prof. Jelena Vuckovic an der  Stanford University gezeigt.

Infrarotlaser sind in der Lage, Silizium leicht zu durchdringen. Die Forscher benutzen solche gepulsten IR-Laser, um Elektronen innerhalb einer mittels Modellrechnungen entwickelten, speziellen Struktur auf enorme Energien anzuregen.

Im Wissenschaftsmagazin Science beschreiben sie, wie sie in den Chip eine Nanoröhre einbrachten und diese unter Vakuum verschlossen. In die Wand dieser Röhre integrierten sie optische Linsen, um den Laser optimal auf die durch in der Röhre befindlichen Elektronen zu fokussieren. Eine einfache Elektronenkanone schickte dann Elektronen mit einer Energie von 80 Kiloelektronenvolt (keV) durch die Röhre. Im Prototyp-Chip übertrug dann jeder Lasertreffer auf einer Wegstrecke von nur 30 µm eine Energie von 0.9 keV auf ein Elektron.

Mit einem zukünftigen Design sollen noch im Jahr 2020 tausend solcher Strukturen auf einer Wegstrecke von weniger als drei Zentimetern hintereinander geschaltet werden, in denen dann ein Infrarotlaser mit 100 kHz Pulsfrequenz die Elektronen auf ein Energieniveau von 1 Megaelektronenvolt (MeV) beschleunigen könnte, erwartet das Forscherteam.

Damit würden Elektronen auf dieser kurzen Beschleunigungsstrecke 94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Geräte mit dieser Technik könnten in Zukunft Krebstumore extrem fein lokalisiert bestrahlen oder für innovative Experimente in Chemie, Materialwissenschaften und biologischer Forschung eingesetzt werden. Vuckovic: "Wir wollen die Beschleunigertechnologie so miniaturisieren, dass sie für die Forschung zugänglicher wird."

Quelle: Standford News, Bearbeitung: nano.swiss/MMo

Originalveröffentlichung: "On-chip integrated laser-driven particle accelerator", Science  367 (6473), 79-83 (2020), DOI 10.1126/science.aay5734