Winzige Beschleuniger bringen Elektronen mithilfe von Lasern auf Geschwindigkeit.

Eines Tages könnten leistungsstarke Teilchenbeschleuniger in deine Tasche passen.

Zwei Teams von Physikern haben winzige Strukturen gebaut, die sowohl Elektronen beschleunigen als auch sie in einem handlichen Strahl gefangen halten, anstatt sie wahllos herauszufeuern. Dies ist das erste Mal, dass solche Mini-Beschleuniger gebaut wurden, und ein entscheidender Schritt zur Herstellung dieser Geräte nützlicher und verbreiteter.

"Eines der Hauptprobleme von Teilchenbeschleunigern ... ist, dass sie zu groß und zu teuer sind", sagt der Physiker Jared Maxson von der Cornell University, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war. Die Verkleinerung der Geräte bedeutet, dass Wissenschaftler hochenergetische Elektronen auf einem Tisch erzeugen könnten, so Maxson. Dies könnte neue Möglichkeiten für Medizin und Wissenschaft eröffnen.

Die Beschleuniger, die auf Siliziumchips konstruiert sind, bestehen aus zwei Reihen von Säulen, die etwa 2 Mikrometer hoch sind und an Miniatur-Wolkenkratzer erinnern. Wenn sie mit Laserlicht bestrahlt werden, erzeugen die Säulen elektromagnetische Felder, die die subatomaren Teilchen immer schneller entlang einer extrem engen Gasse zwischen den Säulen stoßen, die weniger als ein Mikrometer breit ist.

In einem Gerät gewannen Elektronen über eine Strecke von einem halben Millimeter 12,3 Kiloelektronenvolt Energie, ein Anstieg von 43 Prozent, der die Teilchen auf 40,7 Kiloelektronenvolt brachte, berichten der Physiker Peter Hommelhoff und seine Kollegen am 18. Oktober in der Zeitschrift Nature.

Gleichzeitig helfen sorgfältig platzierte Lücken zwischen den Säulen, den Elektronenstrahl fokussiert zu halten, und ahmen so die Fähigkeiten größerer Beschleuniger nach. "Dies ist wirklich der erste Beschleuniger auf Basis der Nanophotonik, der alle Merkmale enthält, die jeder moderne Beschleuniger enthält", sagt Hommelhoff von der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland.

Der Physiker Robert Byer von der Stanford University und seine Kollegen berichteten am 3. Oktober auf arXiv.org von einer ähnlichen Leistung mit Energiewerten von bis zu 23,7 Kiloelektronenvolt. Die beiden Gruppen sind Teil einer größeren Zusammenarbeit namens Accelerator on a Chip International Program, oder ACHIP, die sich darauf konzentriert, diese kleinen Beschleuniger zu bauen.

Der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt ist der Large Hadron Collider oder LHC bei Genf, mit einem Ring von beeindruckenden 27 Kilometern. Protonen im LHC erreichen Energiewerte im Bereich von Billionen von Elektronenvolt. Die neuen winzigen Beschleuniger mit nur wenigen tausend Elektronenvolt werden in absehbarer Zeit keine Higgs-Bosonen erzeugen - das Teilchen, das 2012 am LHC gefunden wurde (SN: 6/29/22). Aber solche Geräte haben ihr eigenes Potenzial.

Zum Beispiel können hochenergetische Elektronen Hautkrebs behandeln, indem sie die DNA in den Krebszellen beschädigen und sie abtöten. Die Erzeugung der energiereichen Elektronen erfordert derzeit jedoch einen Raum voller sperriger Geräte. Mit einem Beschleuniger auf einem Mikrochip könnte die Elektronenstrahltherapie leichter zugänglich werden.

Und ähnliche Behandlungen könnten weiter gehen als nur bis zur Haut. "Der Traum ist es, eine Faser zu haben, die in den menschlichen Körper eingeführt werden kann, um eine lokale Strahlentherapie durchzuführen ... weil der gesamte Beschleuniger in dich hineinpasst", sagt Pietro Musumeci von der UCLA, der Mitglied von ACHIP ist, aber nicht an den neuen Ergebnissen beteiligt war.

Eine andere Anwendung könnte darin bestehen, die Geräte zur Erzeugung spezieller Lichtzustände zu verwenden, die für die Quantencomputing nützlich sein könnten. Oder die Beschleuniger könnten für die Materialforschung nützlich sein, z.B. um Bilder von dünnen Materialien mit ultrahoher Zeitauflösung zu erstellen.

Aber die Beschleuniger haben noch einen langen Weg vor sich. Die Elektronen treten aus den Geräten mit einer Rate aus, die viele Größenordnungen unterhalb der herkömmlichen Beschleuniger liegt. Und obwohl die Geräte den Strahl in zwei Dimensionen fokussieren (in Richtung des Strahls und senkrecht dazu horizontal), ist weitere Arbeit erforderlich, um den Strahl vertikal zu fokussieren.

Auch die Energiegewinne der Geräte müssen weiter gesteigert werden. Die Energie, die die Elektronen über eine bestimmte Beschleunigungsstrecke aufbauen, ist vergleichbar mit herkömmlichen Beschleunigern, jedoch wollen die Wissenschaftler diese Beschleuniger mit Milliarden von Elektronenvolt pro Meter bei weitem übertreffen.

Trotzdem zeigt die Arbeit Techniken auf, die früher absurd erschienen. Als Byer die Idee zu Kollegen beschrieb, "brachen sie in gelächterhaftes Gelächter aus", sagt er. "Heute bekommen wir keinen Gelächter mehr, sondern Wertschätzung."

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