Los investigadores logran acelerar electrones utilizando un nanodispositivo

Los investigadores logran acelerar electrones utilizando un nanodispositivo

Sello de tiempo: 18 de octubre de 2023 12:14 p.m.
Nodo de origen: 2943592
18 de octubre de 2023 (Noticias de Nanowerk) Los aceleradores de partículas son herramientas cruciales en una amplia variedad de áreas de la industria, la investigación y el sector médico. El espacio que requieren estas máquinas va desde unos pocos metros cuadrados hasta grandes centros de investigación. El uso de láseres para acelerar electrones dentro de una nanoestructura fotónica constituye una alternativa microscópica con el potencial de generar costos significativamente más bajos y hacer que los dispositivos sean considerablemente menos voluminosos. Hasta ahora, no se han demostrado ganancias energéticas sustanciales. En otras palabras, no se ha demostrado que los electrones realmente hayan aumentado significativamente su velocidad. Un equipo de físicos láser de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (FAU) ha logrado demostrar el primer acelerador de electrones nanofotónicos, al mismo tiempo que sus colegas de la Universidad de Stanford.

Puntos clave

  • Los investigadores han desarrollado con éxito un acelerador de electrones nanofotónico, esencialmente un "acelerador de partículas en un chip".
  • La tecnología utiliza láseres para acelerar electrones dentro de una nanoestructura fotónica, ofreciendo una alternativa más compacta y potencialmente más barata a los aceleradores de partículas convencionales.
  • El equipo utilizó el método de enfoque de fase alterna (APF) para guiar los electrones y logró una ganancia de energía del 43% en medio milímetro.
  • Este avance podría allanar el camino para aceleradores altamente portátiles, con aplicaciones en imágenes médicas y radioterapia.
  • Para que la tecnología sea práctica para uso médico, la ganancia de energía debe aumentarse aproximadamente 100 veces, según los investigadores.
    • Microchip con acelerador de partículas en una moneda de 1 céntimo. Por primera vez, los investigadores de la FAU han logrado acelerar de manera mensurable electrones en estructuras de sólo unos pocos nanómetros de tamaño. En la imagen se puede ver el microchip con las estructuras y, en comparación, una moneda de 1 céntimo. (Imagen: FAU, Julián Litzel)

    La investigación

    Los investigadores de la FAU han publicado sus hallazgos en la revista. Naturaleza (“Acelerador de electrones nanofotónico coherente”). Cuando la gente oye hablar de "acelerador de partículas", la mayoría probablemente piensa en el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra, el túnel en forma de anillo de aproximadamente 27 kilómetros de largo que investigadores de todo el mundo utilizaron para investigar partículas elementales desconocidas. Sin embargo, estos enormes aceleradores de partículas son una excepción. Es más probable que los encontremos en otros lugares de nuestra vida cotidiana, por ejemplo en procedimientos de imágenes médicas o durante la radiación para tratar tumores. Incluso así, los dispositivos tienen un tamaño de varios metros y todavía son bastante voluminosos, con margen de mejora en términos de rendimiento. En un intento por mejorar y reducir el tamaño de los dispositivos existentes, físicos de todo el mundo están trabajando en la aceleración láser dieléctrica, también conocida como aceleradores nanofotónicos. Las estructuras que utilizan tienen apenas 0.5 milímetros de longitud y el canal a través del cual se aceleran los electrones tiene sólo aproximadamente 225 nanómetros de ancho, lo que hace que estos aceleradores sean tan pequeños como un chip de computadora. Las partículas se aceleran mediante pulsos láser ultracortos que iluminan las nanoestructuras. "La aplicación ideal sería colocar un acelerador de partículas en un endoscopio para poder administrar radioterapia directamente en la zona afectada del cuerpo", explica el Dr. Tomáš Chlouba, uno de los cuatro autores principales del artículo publicado recientemente. Este sueño puede estar todavía mucho más allá del alcance del equipo de la FAU de la Cátedra de Física Láser, dirigido por el Prof. Dr. Peter Hommelhoff y formado por el Dr. Tomáš Chlouba, el Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner y Julian Litzel, pero Ahora han logrado dar un paso decisivo en la dirección correcta al demostrar el acelerador de electrones nanofotónico. "Por primera vez podemos hablar realmente de un acelerador de partículas en un chip", afirma entusiasmado el Dr. Roy Shiloh.

    Electrones guía + aceleración = acelerador de partículas

    Hace poco más de dos años, el equipo logró su primer gran avance: lograron utilizar el método de enfoque de fase alterna (APF) de los primeros días de la teoría de la aceleración para controlar el flujo de electrones en un canal de vacío a lo largo de largas distancias (“Los físicos controlan el flujo de pulsos de electrones a través de un canal de nanoestructura”). Este fue el primer gran paso en el camino hacia la construcción de un acelerador de partículas. Ahora, todo lo que se necesitaba para ganar grandes cantidades de energía era aceleración. "Con esta técnica hemos conseguido no sólo guiar los electrones, sino también acelerarlos en estas estructuras nanofabricadas en una longitud de medio milímetro", explica Stefanie Kraus. Si bien esto puede no parecer un gran logro para muchos, es un gran éxito para el campo de la física de aceleradores. “Ganamos energía de 12 kiloelectrones voltios. Esto supone un aumento de energía del 43 por ciento”, explica Leon Brückner. Para acelerar las partículas a distancias tan grandes (vistas desde la nanoescala), los físicos de la FAU combinaron el método APF con estructuras geométricas en forma de pilares especialmente desarrolladas. Sin embargo, esta demostración es sólo el comienzo. Ahora el objetivo es aumentar la ganancia de energía y corriente de electrones hasta tal punto que el acelerador de partículas en un chip sea suficiente para aplicaciones en medicina. Para que este sea el caso, la ganancia de energía tendría que incrementarse en un factor de aproximadamente 100. “Para lograr corrientes de electrones más altas con energías más altas en la salida de la estructura, tendremos que expandir las estructuras o colocar varios canales uno al lado del otro”, explica Tomáš Chlouba los siguientes pasos de los físicos láser de la FAU.

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