研究者らは初めて、ナノデバイスを使用して電子を加速することに成功した。粒子加速器は、産業、研究、医療などの多くの分野で重要なツールです。これらの機械に必要なスペースは、数平方メートルから大規模な研究センターまで多岐にわたります。レーザーを使用してフォトニックナノ構造内の電子を加速することは、コストを大幅に削減し、デバイスを大幅に小型化できる可能性を秘めた微細な代替手段です。
これまでのところ、このアプローチがエネルギーを大幅に増加できるという証拠はありません。つまり、電子の速度が実際に大幅に増加したことは証明されていないのです。今回、エアランゲン・ニュルンベルク・フリードリヒ・アレクサンダー大学（FAU）のレーザー物理学者チームは、スタンフォード大学の同僚とともに、初のナノフォトニック電子加速器の実証に成功した。
粒子加速器とそのナノフォトンの進化
「粒子加速器」と聞くと、ほとんどの人はおそらくジュネーブにあるCERNの大型ハドロン衝突型加速器を思い浮かべるでしょう。この長さ 27 キロメートルの円形トンネルは、未知の素粒子を研究するために世界中の研究者によって使用されています。ただし、この巨大粒子加速器は例外です。私たちは、医療画像処理や腫瘍の放射線治療中など、日常生活の他の場所でこれらに遭遇する可能性が高くなります。しかし、たとえそうであっても、これらのデバイスのサイズは依然として数メートルであり、非常に大きく、パフォーマンスの点ではまだ多くのことが望まれています。
既存のデバイスの改良とサイズ縮小を目指して、世界中の物理学者がナノフォトン加速器としても知られる誘電体レーザー加速器の開発に取り組んでいます。彼らが使用した構造は長さがわずか 0.5 ミリメートルで、電子が加速されるチャネルの幅はわずか約 225 ナノメートルであるため、これらの加速器はコンピューター チップと同じくらい小さくなります。
粒子は、ナノ構造を照射する超短レーザーパルスによって加速されます。 「私たちの夢の応用は、内視鏡に粒子加速器を取り付けて、体の患部に放射線治療を直接提供できるようにすることです」と、最近発表された論文の筆頭著者 4 人の 1 人であるトマーシュ・クロウバ博士は説明します。
この夢は、ピーター・ホンメルホフ教授率いるレーザー物理学科の FAU チームにはまだ手の届かないところにあるかもしれません。 Tomáš Chlouba、Dr. Roy Shiloh、Stefanie Kraus、Leon Brückner、Julian Litzel らは、ナノフォトニック電子加速器を実証することで、正しい方向への決定的な一歩を踏み出すことに成功しました。ロイ・シャイロ博士は「初めて、実際に粒子加速器をチップ上に実装できるようになりました。」と興奮気味に語った。
誘導電子 + 加速 = 粒子加速器
ほんの 2 年ほど前、研究チームは最初の大きな進歩を達成しました。初期加速理論に基づいた交互位相集束 (APF) 法を使用して、真空チャネル内の電子の長距離流れを制御することに成功しました。これは粒子加速器の構築への重要なステップです。さて、大きなパワーを得るために必要なのは加速だけです。
「この技術を使用することで、電子を誘導するだけでなく、長さ最大0.5ミリメートルのナノ加工構造内で電子を加速することにも成功しました」とステファニー・クラウス氏は説明する。 「多くの人にとってこれは大した成果のように聞こえないかもしれませんが、加速器物理学の分野では大成功であり、12キロ電子ボルトのエネルギーを達成しました」とレオン・ブルックナー氏は説明する。
粒子をこのような長距離（ナノメートルスケールから）まで加速するために、FAU の物理学者は、APF 法と特別に開発された円筒形状を組み合わせました。
ただし、このデモンストレーションは始まりにすぎません。現在の目標は、オンチップ粒子加速器が医療用途に十分なように、エネルギーと電子電流の利得を増加させることです。これを行うには、エネルギー利得を約 100 倍に増やす必要があります。Tomáš Chlouba が、FAU レーザー物理学者の次の課題について説明します。
エアランゲンのレーザー物理学者らの研究結果は、米国スタンフォード大学の同僚らによってほぼ同時に発表されました。彼らの結果は現在検討中ですが、データベースで閲覧できます。ゴードン＆ベティ・ムーア財団から資金提供を受けたプロジェクトで、両チームは協力して「チップ上のアクセラレータ」を実装している。
「2015年、FAUとスタンフォード主導のACHIPチームは、粒子加速器設計への革新的なアプローチについてのビジョンを持っていました」とゴードン＆ベティ・ムーア財団のゲイリー・グリーンバーグ博士は述べた。 「私たちの支援がこのビジョンの実現に役立ったことを嬉しく思います。」