Физики разогнали электроны на чипе
Американские физики создали ускоритель элементарных частиц, который уместился на кремниевом чипе размером несколько несколько десятков микрон. Устройство, основанное на технологии лазерного диэлектрического ускорения, в перспективе может стать основой для компактных и мощных ускорителей, которые найдут применение в медицине, материаловедении, биотехнологии и многих других областях. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
В «обычных» ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер, элементарные частицы разгоняют с помощью электрического поля. Но для того, чтобы получить частицы высоких энергий, ускорители должны быть очень длинными, поскольку градиент больше нескольких десятков мегаэлектронвольт на метр обеспечить не удается — в камере возникнет пробой. Можно обойти эту проблему, если построить кольцевой ускоритель, но тогда потребуются мощные магниты, чтобы «поворачивать» частицы. Кроме того, значительная часть «закачанной» в частицы энергии при этом будет высвечиваться за счет синхротронного излучения. Чтобы минимизировать потери, и кольцевые ускорители приходится строить огромных размеров.
Чтобы обойти эту проблему, физики разрабатывают новые методы ускорения частиц. К ним относятся, в частности, диэлектрическое лазерное ускорение и лазерно-плазменное ускорение, а также ускорение на базе терагерцовых импульсов. Для плазменных методов ускорения не существует ограничения на величину ускоряющих полей, и темп ускорения для них может достигать 100 гигаэлектронвольт на метр, однако этот способ не лишен недостатков, один из самых важных — сложность создания стабильного и эффективного лазерно-плазменного ускорения на дистанции, превышающей несколько миллиметров.
Группа под руководством Елены Вучкович (Jelena Vučković) из ускорительной лаборатории Стэнфордского университета решили использовать диэлектрическое лазерное ускорения. В этом случае частицы ускоряются за счет электрического поля, которое возникает над специальной прозрачной бороздчатой структурой, подсвеченной снизу поляризованным лазерным лучом.
Вучкович и его коллеги смогли собрать интегрированный ускоритель на кремниевом чипе, где электроны разгонялись за счет подсветки инфракрасным лазером, для которого кремний прозрачен. Ускоритель на чипе смог добавить электронам лишь 0,915 килоэлектронвольта энергии, но на дистанции лишь в 30 микронов. В пересчете на метр это дает градиент в 30,5 мегаэлектронвольт на метр. В перспективе ученые рассчитывают «упаковать» тысячу таких ускорителей в одно устройство размером в несколько сантиметров и получить на выходе пучок частиц с энергией 1 мегаэлектронвольт.
Авторы исследования уже сейчас начинают думать о возможных применениях будущего ускорителя, в частности, о применении его для радиотерапии рака.
Ранее физики разогнали частицы с помощью терагерцового излучения, поставили рекорд для лазерно-плазменного ускорения.
Сергей Кузнецов
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.