A FAU és a Stanford Egyetem kutatói komoly mérföldkövet értek el: olyan nanofotonikus elektrongyorsítót fejlesztettek ki, amely akkora, mint egy számítógépes chip. A hagyományos, nagyobb részecskegyorsítókkal ellentétben ez az eszköz ultrarövid lézerimpulzusokkal gyorsítja az elektronokat a nanostruktúrákban.

A csapat sikeresen vezette és gyorsította az elektronokat 500 μm távolságban egy 225 nm széles csatornában, így 43 százalékos energianövekedést ért el. Mindez bár jelentős eredmény, de további fejlesztésekre van szükség ahhoz, hogy ezt a technológiát alkalmassá tegyék az orvosi alkalmazásokra: sugárterápiában és más orvosi kezelések esetén körülbelül 100-szoros energianyereségre lesz majd szükség ugyanis.

A részecskegyorsítók nem túl kicsik: akad belőlük néhány négyzetméteres – ezeket orvosi felhasználáshoz készítették, de a méretesebbek teljes kutatóközpontokat jelentenek. A mostani fejlesztés így nem túlzás, hogy paradigmaváltó: a FAU lézerfizikusai a Stanford Egyetemmel együttműködve ugyanis bemutattak egy olyan nanofotonikus elektrongyorsítót, amelynek méretei olyan kicsik, mint egy számítógépchip.

Az új nanofotonikus gyorsító azon a zseniális elven működik, hogy ultrarövid lézerimpulzusokat használ fel az elektronok felgyorsítására és vezetésére a fotonikus nanostruktúrán belül. Ezek az apró, mindössze 225 nm széles gyorsítók koherensen kombinálják a részecskegyorsítást és a keresztirányú sugárkorlátozást. A kísérlet a következő mérföldkövet is elérte tehát: az elektronokat sikeresen felgyorsították és 500 μm-es távolságra vezették ezekben a nanostruktúrákban.

Ami 500 μm az elektronnak, az tehát óriási lépés a gyorsítófizikának, mivel ez 43 százalékos energianövekedést jelent, ami 12 kilo elektronvoltnak felel meg.

A kulcsfontosságú áttörést a váltakozó fázisfókuszálás (APF) módszerének alkalmazása jelentette, amely egy régebbi koncepció a gyorsuláselméletben az elektronok vákuumcsatornán belüli áramlásának a szabályozására. Ezt a technikát speciálisan kialakított pillér alakú geometriai struktúrákkal kombinálva sikerült a tudósoknak a fenti eredményt elérni.

Az áttörés gigászi, a végső cél azonban ennél is ambiciózusabb: ez ugyanis az elektronáram és az energianyereség jelentős növelése. A cél az, hogy ezeket a chip-méretű gyorsítókat kellően felerősítsék az orvosi alkalmazásokhoz, ami a gyakrolatban azt jelenti, hogy az energianyereséget körülbelül százszorosára kell sokszorozni.

Idővel pedig ezek a miniatűr gyorsítók forradalmasíthatják az orvosi kezeléseket, mivel például a jelenlegi hatalmas gyorsítókkal ellentétben ezeket az apróbbakat közvetlenül be lehetne építeni az endószkópokba – mindez sokkal célzottabb sugárkezelést tenne lehetővé, ami nem csak hatékonyabb rákkezelést jelentene, de emellett az eljárás az egészséges szöveteket is jóval kevésbé károsítaná.

(Kép: FAU/Julian Litzel)