Ученые создали первый в мире нанофотонный ускоритель электронов, который ускоряет отрицательно заряженные частицы с помощью мини-лазерных импульсов и достаточно мал, чтобы поместиться на монете.

Недавно ученые впервые запустили самый маленький в мире ускоритель частиц — нанофотонный ускоритель электронов (NEA). Он состоит из микрочипа, в котором находится крошечная ускорительная трубка длиной всего несколько миллиметров. Сама вакуумная трубка — это тысячи отдельных «столбов». Исследователи могут ускорять электроны, направляя на них мини-лазерные лучи.

Длина главной ускорительной трубы составляет примерно 0,5 мм, что в 54 млн раз меньше кольца длиной 27 км Большого адронного коллайдера ЦЕРН (БАК) в Швейцарии. Это самый мощный ускоритель частиц, который помог физикам обнаружил несколько новых частиц, включая бозон Хиггса (или частицу Бога), призрачные нейтрино, очаровательный мезон и загадочную частицу X.

Ширина внутренней части крошечного туннеля составляет всего около 225 нанометров. По данным Национального института нанотехнологий, толщина человеческого волоса составляет от 80 000 до 100 000 нанометров.

Исследователи из Университета Эрлангена-Нюрнберга имени Фридриха-Александра (FAU) в Германии использовали крошечное приспособление для ускорения электронов с 28,4 до 40,7 килоэлектронвольт. Это первый случай успешного запуска нанофотонного ускорителя электронов. Впервые его концепцию предложили в 2015 году, пишут исследователи. Сотрудники Стэнфордского университета тоже повторили этот трюк со своим мини-ускорителем, но их результаты все еще находятся на рассмотрении.

«Впервые мы действительно можем говорить об ускорителе частиц на микрочипе», — заявил Рой Шайло, физик из FAU и соавтор исследования.

БАК использует более 9 000 магнитов для создания магнитного поля, которое ускоряет частицы примерно до 99,9% скорости света. NEA также создает магнитное поле, но работает, направляя лучи света на столбы вакуумной трубки; это усиливает энергию, но получившееся энергетическое поле намного слабее.

Энергия электронов, ускоренных NEA, составляет около одной миллионной от энергии частиц, ускоренных на БАК. Однако физики считают, что они могут улучшить конструкцию NEA, используя альтернативные материалы или располагая несколько трубок рядом друг с другом. Тем не менее, они никогда не достигнут тех же энергетических уровней, что и большие коллайдеры.

Однако стоит учитывать, что основная цель создания этих ускорителей — использовать энергию, выделяемую ускоренными электронами, в медицине. В перспективе, NEA может заменить лучевую терапию, которую используют для уничтожения раковых клеток.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.