激光为粒子加速器提供动力（几乎）可以装在硬币上

它的尺寸不到大型强子对撞机的五千万分之一，而且可能也便宜一些。

好吧，这个粒子加速器不适合一美分的部件，但它可以安装在更大的部件上。

图片来源：FAU/激光物理、Stefanie Kraus、Julian Litzel

中世纪哲学家争论过一根针头上可以有多少天使跳舞。现代科学家正接近在粒子加速器上安装粒子加速器。

粒子物理学家宣布展示一种使用激光将电子推向高速的纳米加速器。当然，像这样的微型机器不会很快取代城市大小的大型机器，但它们应该解决不需要将问题推向如此极端的问题，并且可以使医疗更有针对性。

除了欧洲核子研究组织（CERN）等巨型粒子加速器之外，还存在各种较小的加速器，甚至可以坐在（大型）台式上并将带电粒子移动到更适中速度的加速器。它们之所以需要这么大，是因为它们使用射频波来进行加速，而射频波的波长对于较短的波长来说相距太远。在微型化时代，物理学家梦想通过使用光学作为节省金钱和能源的力量来变得更小。然而，在微型设备上获得的能量太小，无法发挥作用。

现在，弗里德里希-亚历山大大学 (FAU) 和斯坦福大学的团队都声称已经使用几乎看不见的粒子加速器提供了有用的能量。为此，他们必须将最新进展与最近被忽视的曾经流行的想法结合起来。

纳米光子加速器，也称为介电激光加速器，长度不到半毫米（0.02 英寸），可将电子推入 225 纳米（0.000009 英寸）宽的通道。非常短的激光脉冲脉冲会加速粒子。与金属表面不同，金属表面不能处理比无线电频谱短的波长，介电材料可以在可见光下工作。

FAU 的 Tomáš Chlouba 博士在一份声明中表示：“理想的应用是在内窥镜上放置一个粒子加速器，以便能够直接对体内受影响的区域进行放射治疗。” Chlouba 和合著者承认他们还没有达到这一目标，但声称已经取得了重大进展。 “我们第一次真正可以谈论芯片上的粒子加速器，”Roy Shiloh 博士说。

如果你只想一次加速一个带电粒子，这可能相对容易，但这很少是有用的事情。粒子加速器，无论大小，都面临着将相同电荷方向的粒子保持在一起的挑战，同时它们的相互排斥使它们散开。 

该团队使用交替相位聚焦（APF）解决了这个问题，物理学家在建造第一个加速器时曾尝试过这种方法。物理定律规定，不可能同时将带电粒子聚焦在所有三个方向上。 APF 通过使用激光将一组电子聚焦在一个维度上，同时允许它们在另一个维度上散焦，然后再反转维度，从而解决了这个问题。最终效果是在两个方向上聚焦，并且可以重复，直到颗粒紧密地聚集在一起。

两年前，FAU 团队表明，通过在一系列柱子之间传递电子，电子可以在几乎难以想象的短时间尺度内在连续的电池中重复聚焦或散焦。 “相比之下，”Johannes Illmer 博士当时说道，“CERN 的大型强子对撞机在一条 2,450 米（8,040 英尺）长的曲线上使用了 23 个这样的单元。我们的纳米结构在仅 80 微米的尺寸内使用了五个具有相似作用的细胞。 ”

现在，FAU 团队使用这种技术在芯片上构建了一个功能齐全的粒子加速器，增加了 12 千电子伏特，使所涉及的电子能量增加了 43%。下一个目标是将这种能量增益增加到可用于医学的程度，例如照射肿瘤，这将需要增加 100 倍的能量。 “我们将不得不扩大结构或将多个通道放置在一起，”Chlouba 说。 

FAU团队的研究成果发表在《自然》杂志上。斯坦福大学团队的工作仍在接受同行评审，但预印本可在 arXiv 上找到。