Немецкие физики создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который не только способен ускорять частицы, но и фокусирует их пучок. В нем удалось разогнать электроны на дистанции 500 микрометров в канале шириной всего 225 нанометров, при этом первоначальная энергия пучка увеличилась на 43 процента. Статья об этом опубликована в журнале Nature.
Традиционно для ускорения заряженных частиц ученые используют высокочастотные резонаторы. Наибольший успех имеют кольцевые ускорители, в которых энергия частиц повышается с каждым новым витком. Например, Большой адронный коллайдер — пожалуй, самый известный кольцевой ускоритель — достиг рекордной энергии 6,8 тераэлектронвольт на пучок. К сожалению, ускорять электроны до высоких энергий в кольцевых ускорителях не дает их малая масса и синхротронное излучение, которое уносит накопленную энергию. Для получения электронов высоких энергий строят линейные ускорители, такие как SLAC.
Градиент ускорения, который испытывают частицы в классических ускорителях, ограничен пиковым радиочастотным полем, которое могут выдержать металлические поверхности конструкции, и обычно составляет десятки мегавольт на метр. О том, с какими еще сложностями сталкиваются ученые при модернизации Большого адронного коллайдера, мы писали в материале «Стойкий оловянный магнит». Чтобы обойти подобные ограничения, ученые разрабатывают другое направление в ускорительной технике — диэлектрические лазерные ускорители (нанофотонные ускорители). Диэлектрические материалы могут выдерживать оптическую нагрузку до десяти гигавольт на метр. Подобные технологии потенциально могут на несколько порядков сократить требуемые размеры и стоимость ускорительных комплексов.
Томас Хлоуба (Tomáš Chlouba) и его коллеги из Университета имени Фридриха — Александра в Эрлангене и Нюрнберге создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который состоит из двух рядов кремниевых столбиков высотой два микрометра. Ученые освещали столбики сверху лучом лазера длиной волны 1,93 микрометра, чтобы создать необходимый режим ближнего поля. Электронный пучок инжектировался в эту структуру между рядами столбиков с начальной энергией электронов 28,4 килоэлектронвольт. Если выполнено условие синхронизации — период структуры отнесенный к длине волны лазера равен скорости электронов, нормированных на скорость света в вакууме — то электроны и оптическая ближнепольная мода движутся с одинаковой скоростью. Чтобы ускорить электроны, ученые увеличили период структуры.
Схема экспериментальной установки
Ученым удалось не только разогнать электроны, но и решить проблему их фокусировки. Согласно теореме Ирншоу одновременная фокусировка луча электронов по всем трем направлениям невозможна. Однако это ограничение физики сумели обойти, применив технику попеременной фазовой фокусировки. Чтобы изменить фазу синхронизации, Хлоуба с коллегами увеличил один из промежутков между последовательными парами кремниевых столбиков. Это привело к фокусировке электронов в поперечном направлении, но к дефокусировке в продольном. Внедряя аналогичные фазовые сдвиги далее вдоль следования пучка электронов, физики попеременно фокусировали пучок либо в продольном, либо в поперечном направлении.
(a-d) — Энергетические спектры электронов (красным цветом), полученные на расстояниях 200, 300, 400 и 500 микрометров; синим цветом показан результат компьютерного моделирования; (е) — Зависимость положения пика на спектре энергий, соответствующего когерентно ускоренным электронам, по отношению к длине ускоряющей структуры
В результате ученым удалось разогнать электроны на 43 процента до энергии 40,7 килоэлектронвольт на расстоянии 500 микрометров и при этом сохранить фокусировку пучка в канале шириной всего 225 нанометров. Физики отмечают, что полученные энергии электронов пока далеки от масштабов гигаэлектронвольт, а также наблюдались существенные потери электронов из-за недостаточной оптимизации установки. Однако представленный концепт может быть доработан и масштабирован, что по мнению ученых потенциально может привести к созданию более дешевых и компактных ускорителей электронов в будущем.