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| Un chip acelerador en miniatura cabe en una moneda de 1 céntimo de euro. El chip de la imagen contiene 42 aceleradores de partículas de distintas longitudes. Al incidir sobre él una luz láser, el acelerador da un impulso de energía a los electrones que lo atraviesan. Crédito: S. KRAUS AND J. LITZEL/LASERPHYSICS/FAU |
Los aceleradores de partículas son herramientas esenciales en diversos ámbitos de la industria, la ciencia y la medicina. Suelen tener un tamaño de unos pocos metros cuadrados para aplicaciones médicas y alcanzar el tamaño de grandes centros de investigación.
Una alternativa diminuta con posibles reducciones de coste y tamaño de órdenes de magnitud es la aceleración de electrones con luz láser dentro de una nanoestructura fotónica. A pesar de los grandes esfuerzos realizados en la investigación sobre la aceleración láser dieléctrica, incluido el complejo control del espacio de fase de los electrones con fuerzas ópticas, aún no se han demostrado ganancias de energía dignas de mención. En otras palabras, no se ha demostrado que los electrones hayan aumentado su velocidad de forma significativa.
Los físicos del láser de la FAU han demostrado con éxito el primer acelerador nanofotónico de electrones junto con colegas de la Universidad de Stanford. Este acelerador de electrones nanofotónico escalable combina de forma coherente la aceleración de partículas y el confinamiento transversal del haz. A continuación, acelera y guía electrones a lo largo de una distancia considerable de 500 μm en un canal de 225 nm de ancho. Esto hace que el acelerador sea tan pequeño como un chip de ordenador.
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| Principio de aceleración simultánea y confinamiento del haz en una estructura nanofotónica. a, Una sección corta, de aproximadamente 5 μm de longitud, de la estructura del acelerador de doble pilar (gris). La luz láser que incide a lo largo de la dirección de visión genera un modo óptico en el interior de la estructura como si fuera con los electrones (verde). Arriba y abajo: esquemas de los componentes de la fuerza síncrona de Lorentz Fz y Fx que actúan sobre un electrón de diseño, es decir, un electrón síncrono con el modo de campo cercano en propagación y situado inicialmente en una fase de φs = 60°, representado como un disco verde. Antes del salto de fase, el electrón experimenta una fuerza de aceleración (Fz positiva). Al mismo tiempo, las fuerzas transversales actúan de forma transversalmente desenfocada sobre los electrones (Fx negativa para electrones en coordenadas x negativas, por ejemplo, ver abajo a la izquierda). Tras un brusco salto de fase de Δφ = 120°, el electrón entra en el mismo modo nanofotónico en la siguiente macrocelda, pero ahora está desfasado a φs = -60° (arriba a la derecha). También aquí el electrón experimenta una fuerza de aceleración (Fz positiva), pero ahora las fuerzas transversales actúan de forma focalizada (abajo a la derecha; véase también c). Esto se repite con cada periodo del campo láser, es decir, cada 6,45 fs, lo que se representa para múltiples periodos láser a medida que el electrón (disco verde) se propaga a través de la estructura. El agrupamiento y desagrupamiento longitudinal que se produce simultáneamente se discute en el texto principal. b, Representación de un salto de fase desde una macrocélula de enfoque a una de desenfoque con Δφ = 240° (en realidad -120°), desplazando el electrón de diseño de φs = -60° a φs = 60°. c,d, Ampliación de las regiones relevantes en a y b, respectivamente, con las flechas mostrando el campo de fuerza en un instante en el tiempo. e, Trayectorias simuladas de los electrones a medida que viajan a través de la estructura del acelerador mientras ganan energía (el color muestra la energía instantánea). Los bloques naranja y morado de arriba representan las macroceldas correspondientes que actúan transversalmente enfocando (morado) y desenfocando (naranja). Crédito: Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06602-7 |
El Dr. Tomáš Chlouba, uno de los cuatro autores principales del artículo publicado recientemente, explicó: "Las partículas se aceleran mediante pulsos láser ultracortos que iluminan las nanoestructuras. La aplicación soñada sería colocar un acelerador de partículas en un endoscopio para administrar radioterapia directamente en la zona afectada dentro del cuerpo".
"Puede que este sueño esté aún muy lejos de nuestro alcance. Pero ahora hemos dado un paso decisivo en la dirección correcta al demostrar el acelerador de electrones nanofotónico".
Hace casi dos años, el equipo utilizó con éxito el método de enfoque de fase alterna (APF) de los primeros días de la teoría de la aceleración para controlar el flujo de electrones en un canal de vacío a larga distancia. Éste fue un paso inicial crucial en la creación de un acelerador de partículas. Ahora, sólo era necesaria la aceleración para obtener cantidades significativas de energía.
Stefanie Kraus explicó: "Con esta técnica, ahora hemos conseguido no sólo guiar electrones, sino también acelerarlos en estas estructuras nanofabricadas a lo largo de medio milímetro".
Leon Brückner declaró: "Aunque a muchos no les parezca un gran logro, es un éxito enorme para el campo de la física de aceleradores. Hemos conseguido una energía de 12 kiloelectronvoltios. Es decir, un 43 por ciento más de energía".
Los científicos de la FAU utilizaron una combinación del enfoque APF y estructuras geométricas en forma de pilar creadas específicamente para acelerar las partículas a distancias tan significativas (si se mira desde la nanoescala).
Pero este ejemplo es sólo el principio. El objetivo es aumentar la corriente de electrones y el aumento de energía hasta el punto en que el acelerador de partículas en un chip sea adecuado para aplicaciones médicas. Para ello, el aumento de energía tendría que multiplicarse por 100 aproximadamente.
Tomáš Chlouba explica los próximos pasos de los físicos del láser de la FAU: "Para conseguir mayores corrientes de electrones a energías más altas a la salida de la estructura, tendremos que ampliar las estructuras o colocar varios canales uno al lado del otro".
Fuentes, créditos y referencias: