芯片大小的粒子加速器

　　該圖像放大了25,000倍，顯示了原型加速器芯片的一部分。此處顯示的部分是人頭發(fā)的寬度的1/10。形狀奇特的灰色結(jié)構(gòu)是刻在硅上的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，可將通過黃色和紫色顯示的紅外激光束聚焦在通過中心通道的電子流上。當(dāng)電子從左向右傳播時(shí)，聚焦在通道中的光與通過的粒子小心地同步，以使它們以越來越大的速度向前移動(dòng)。斯坦福大學(xué)的研究人員希望通過將1000個(gè)這樣的加速通道裝在一個(gè)英寸大小的芯片上，以產(chǎn)生以光速94％的速度移動(dòng)的電子束，并將這種激發(fā)的粒子流用于研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。供圖：尼爾·薩普拉（Neil Sapra）

　　SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室位于斯坦福大學(xué)上方的山坡上，運(yùn)行著近2英里長(zhǎng)的科學(xué)儀器。在這種巨大的加速器中，電子流流過真空管，隨著微波輻射的爆發(fā)將粒子向前推動(dòng)得越來越快，直到它們的速度接近光速，從而產(chǎn)生了強(qiáng)大的粒子束，世界各地的科學(xué)家都可以使用它探測(cè)無機(jī)或生物材料的原子和分子結(jié)構(gòu)。

　　SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

　　現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和SLAC的科學(xué)家們首次制造出了一種硅芯片，該芯片可以使用紅外激光來加速電子，寬度小于頭發(fā)絲的寬度。相對(duì)來說微波加速需要數(shù)英尺長(zhǎng)。

　　由電氣工程師耶琳娜·武科維奇（Jelena Vuckovic）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在1月3日的《科學(xué)》雜志上寫道，如何從硅中雕刻出納米級(jí)通道，將其密封在真空中，并通過紅外光脈沖將電子通過該腔體 - 硅像玻璃一樣對(duì)可見光是透明的 - 通過通道壁傳輸以加快電子的運(yùn)動(dòng)。

　　《科學(xué)》雜志中展示的片上加速器只是一個(gè)原型，但武科維奇表示，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)可以擴(kuò)大規(guī)模，以提供足夠速度的粒子束，以進(jìn)行化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)發(fā)現(xiàn)方面的前沿實(shí)驗(yàn)。不需要大型加速器。

　　沃科維奇說：“最大的加速器就像強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。世界上只有少數(shù)幾個(gè)，科學(xué)家必須到像SLAC這樣的地方來使用它們。我們希望以一種更易于使用的研究工具的方式來使加速器技術(shù)小型化?！?/p>

　　團(tuán)隊(duì)成員將他們的方法比喻為計(jì)算從大型機(jī)發(fā)展到較小但計(jì)算能力仍然強(qiáng)大的PC?！犊茖W(xué)》論文的合著者物理學(xué)家羅伯特·拜爾（Robert Byer）說，片上加速器技術(shù)也可能導(dǎo)致新的放射療法。同樣，這也是一個(gè)大小的問題。如今，醫(yī)用X光機(jī)充滿了整個(gè)房間并發(fā)出難以聚焦的輻射，要求佩戴鉛罩以最大程度地減少附帶損害。

　　片上加速器計(jì)劃（ACHIP）的領(lǐng)導(dǎo)者拜爾說：“在本文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳遞給異常組織，而使健康組織不受影響。當(dāng)前的研究是其中的一部分?！?/p>

　　沃科維奇和第一作者研究生尼爾·薩普拉（Neil Sapra）在他們的論文中解釋了該團(tuán)隊(duì)如何構(gòu)建一個(gè)芯片，該芯片通過硅發(fā)射紅外光脈沖，從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和正確的角度撞擊電子，從而使它們向前移動(dòng)。比以前快一點(diǎn)。

　　為此，他們顛倒了設(shè)計(jì)過程。在傳統(tǒng)加速器中，例如SLAC的加速器，工程師通常會(huì)草擬基本設(shè)計(jì)，然后運(yùn)行仿真以物理方式布置微波脈沖串，以實(shí)現(xiàn)最大可能的加速。微波的波長(zhǎng)是4英寸，而紅外光的波長(zhǎng)僅是人發(fā)寬度的十分之一。這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外光可以在這么短的距離內(nèi)加速電子。但這也意味著芯片的物理特性必須是傳統(tǒng)加速器中的銅結(jié)構(gòu)的1/100000。這就需要一種基于硅的集成光子學(xué)和光刻技術(shù)的工程新方法米樂M6。

　　沃科維奇的團(tuán)隊(duì)使用她的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的逆設(shè)計(jì)算法解決了該問題。這些算法允許研究人員進(jìn)行后向工作，方法是指定他們希望芯片提供多少光能，并對(duì)軟件進(jìn)行任務(wù)分配，并建議如何構(gòu)建使光子與電子流正確接觸所需的正確納米級(jí)結(jié)構(gòu)。

　　“有時(shí)候，逆設(shè)計(jì)可以提供人類工程師可能不會(huì)想到的解決方案，” SLAC的科學(xué)家，《科學(xué)》雜志的合著者R·喬爾·英格蘭（R. Joel England）說。

　　該設(shè)計(jì)算法提出的芯片布局看上去似乎與眾不同。想象一下，被硅蝕刻出的被通道隔開的納米級(jí)臺(tái)面。流經(jīng)該通道的電子沿著硅絲絞線運(yùn)行，在關(guān)鍵位置沖破通道壁。每次激光脈沖（每秒100,000次）都會(huì)使一束光子擊中一束電子，使它們向前加速。在斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員制作的真空密封硅芯片表面上，所有這些事情都發(fā)生在小于頭發(fā)的寬度。

　　研究人員希望將電子加速到光速的94％，即一百萬電子伏（1MeV），以產(chǎn)生足以用于研究或醫(yī)學(xué)目的的粒子流。該原型芯片僅提供單級(jí)加速，并且電子流將必須通過這些級(jí)中的大約1,000級(jí)才能達(dá)到1MeV。沃科維奇說，但這似乎并不難達(dá)到，因?yàn)樵撛推霞铀倨魇峭耆呻娐?。這意味著創(chuàng)建加速所需的所有關(guān)鍵功能都直接內(nèi)置在芯片中，并且增加其功能應(yīng)該相當(dāng)簡(jiǎn)單米樂。

　　研究人員計(jì)劃在2020年底之前在大約一英寸的芯片空間中封裝1000個(gè)加速級(jí)，以達(dá)到其1MeV目標(biāo)。盡管這將是一個(gè)重要的里程碑，但這種設(shè)備的功率仍將與SLAC研究加速器的功能相提并論，后者可產(chǎn)生比1MeV高30,000倍的能量。但是拜爾認(rèn)為，就像晶體管最終取代電子設(shè)備中的真空管一樣，基于光的設(shè)備有一天將挑戰(zhàn)微波驅(qū)動(dòng)加速器。