54 milioni di volte più piccolo dell’LHC!

I ricercatori hanno progettato l’acceleratore più piccolo
Particelle nel mondo: sono 54 milioni di volte più piccole del Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera. Si chiama acceleratore di nanoelettroni (NEA) ed è costituito da un chip elettronico costituito da un tubo lungo mezzo millimetro e largo 225 nanometri. Si adatta quasi perfettamente ad una moneta da 1 centesimo. In definitiva, la tecnologia può offrire grandi prospettive di applicazione in campo medico e industriale.

Gli acceleratori di particelle sono utilizzati in molti campi, dalla fisica alla medicina all’industria. Il Large Hadron Collider (LHC) del Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN), il più famoso e potente, ha permesso, ad esempio, di studiare particelle difficili da osservare come il bosone di Higgs, i neutrini fantasma e mesoni incantati. Costituiscono anche alcuni dispositivi per l’imaging medico e la radioterapia.

Tuttavia, le loro dimensioni, che vanno da pochi metri a diverse decine di chilometri, limitano notevolmente le applicazioni. D’altro canto, gli acceleratori convenzionali si affidano alle onde a radiofrequenza e alle cavità metalliche per accelerare le particelle cariche. Tuttavia, il gradiente di accelerazione che le superfici metalliche possono tollerare è limitato, il che significa che il guadagno di accelerazione è generalmente solo di poche decine di MeV per metro.

Al contrario, i materiali dielettrici possono sopportare campi ottici superiori a 10 GeV per metro. Per ridurre le dimensioni degli acceleratori migliorandone al tempo stesso le prestazioni, gli scienziati stanno ora esplorando l’accelerazione laser dielettrica, nota anche come accelerazione dei nanofotoni. Infatti, strutture dielettriche fotoniche su scala nanometrica basate su campi ottici potrebbero consentire di ottenere gradienti di accelerazione due volte maggiori di quelli presenti negli acceleratori a radiofrequenza.

Il nuovo dispositivo, sviluppato dalla Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Norimberga (FAU) in Germania, è uno dei primi due dispositivi NEA i cui primi test sono stati conclusivi, insieme al test dell’Università di Stanford.

L’uso degli impulsi laser per accelerare gli elettroni all’interno delle nanostrutture fotoniche è un’alternativa meno costosa e dispendiosa in termini di spazio. Eventualmente, questa tecnologia potrebbe, ad esempio, essere posizionata all’estremità dell’endoscopio per somministrare la radioterapia (antitumorale) direttamente sull’area target. Ciò migliorerebbe notevolmente l’efficacia riducendo al contempo gli effetti collaterali, in parte a causa della limitata capacità di targeting delle attuali tecniche di radioterapia.

Un incredibile aumento del 43% di energia

È importante notare che un acceleratore di particelle non serve solo a spostare le particelle ad alta velocità, ma anche a confinarle per limitarne la perdita. Questo confinamento è più importante nelle regioni vicine alla Terra, a causa delle dimensioni nanometriche del tunnel di accelerazione. Similmente ai tradizionali acceleratori a radiofrequenza, il campo vicino accelera le particelle. Tuttavia, questo campo vicino in questo caso è di natura ottica. Inoltre, per garantire che questo campo sia sufficientemente forte da generare accelerazione, la larghezza del tunnel deve essere circa un decimo della lunghezza d’onda motrice.

La FAU NEA è costituita da un piccolo tunnel lungo 0,5 mm e largo 225 nm, con una lunghezza d’onda pilota di 1,93 µm. Per mettere queste dimensioni in prospettiva, un capello umano ha uno spessore compreso tra 80.000 e 100.000 nanometri, mentre un tunnel LHC è lungo 27 chilometri. All’interno del piccolo tunnel ci sono due file di nanopilastri di silicio (alti 2 micrometri), per un totale di 733 paia.

Per accelerare e confinare efficacemente gli elettroni è stata utilizzata anche una tecnica chiamata focalizzazione a fase alternata (APF). In questo modo il flusso delle particelle che attraversano il tunnel viene controllato con precisione. ” Con questa tecnica siamo riusciti non solo a dirigere gli elettroni, ma anche ad accelerarli in queste nanostrutture lunghe mezzo millimetro. », spiega in A dichiarazione Stephanie Krause, anche lei coautrice del nuovo studio, pubblicato sulla rivista
natura.

Per generare un campo vicino e accelerare le particelle, i nanopilastri vengono bombardati con una serie di impulsi laser lunghi ciascuno 250 femtosecondi (con una lunghezza d’onda di 1,93 micrometri). Allo stesso tempo, il fascio di elettroni viene sparato su un lato della struttura della colonna con un’energia iniziale di 28,4 kiloelettronvolt (keV), sincronizzandolo con il campo vicino. Durante la dimostrazione, i ricercatori sono riusciti a ottenere un aumento di energia di 12 keV, da 28,4 a 40,7 keV, con un aumento di circa il 43%.

Sebbene impressionante per una struttura di queste dimensioni, questo guadagno di potenza non è sufficientemente elevato per un’applicazione medica. Per fare ciò, questo risultato deve essere moltiplicato per 100. I ricercatori suggeriscono che le prestazioni del loro dispositivo potrebbero essere migliorate attraverso materiali alternativi o accelerando attraverso più nanotunnel posizionati uno accanto all’altro.

fonte : natura