Los aceleradores diminutos aceleran los electrones a alta velocidad utilizando láseres.

Un día, poderosos aceleradores de partículas podrían caber en tu bolsillo.

Dos equipos de físicos han construido estructuras diminutas que tanto aceleran electrones como los mantienen confinados en un haz manejable, en lugar de esparcirlos al azar. Esto es algo nuevo para estos mini aceleradores, y es un paso crucial para hacer que estos dispositivos sean más útiles y generalizados.

"Uno de los problemas principales con los aceleradores de partículas... es que son demasiado grandes y caros", dice el físico Jared Maxson de la Universidad de Cornell, quien no estuvo involucrado en la nueva investigación. La miniaturización de los dispositivos significa que los científicos podrían crear electrones de alta energía en una mesa, dice Maxson. Esto podría abrir nuevas posibilidades para la medicina y la ciencia.

Construidos en chips de silicio, los aceleradores están compuestos por dos filas de pilares de aproximadamente 2 micrómetros de altura, que recuerdan a filas miniaturas de rascacielos. Cuando se golpea con luz láser, la estructura de pilares genera campos electromagnéticos que empujan las partículas subatómicas cada vez más rápido a lo largo de un callejón extremadamente estrecho entre los pilares, que mide menos de un micrómetro de ancho.

Los electrones en un dispositivo obtuvieron 12.3 kiloelectrones voltios de energía en una distancia de medio milímetro, un aumento del 43 por ciento que llevó las partículas a 40.7 kiloelectrones voltios, informa el físico Peter Hommelhoff y sus colegas el 18 de octubre en la revista Nature.

Mientras tanto, las brechas cuidadosamente ubicadas entre los pilares ayudan a mantener el haz de electrones enfocado, imitando las capacidades de los aceleradores más grandes. "Este es realmente el primer acelerador basado en nanofotónica que contiene todas las características que cualquier acelerador moderno contiene", dice Hommelhoff, de la Universidad de Erlangen-Nuremberg en Alemania.

El físico Robert Byer de la Universidad de Stanford y sus colegas informaron un logro similar el 3 de octubre en arXiv.org, con ganancias de energía de hasta 23.7 kiloelectrones voltios. Los dos grupos forman parte de una colaboración más amplia llamada Programa Internacional de Aceleradores en un Chip, o ACHIP, que unifica los esfuerzos para construir estos pequeños aceleradores.

El acelerador de partículas más potente del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, cerca de Ginebra, con un anillo de 27 kilómetros de circunferencia. Los protones en el LHC alcanzan energías de billones de electrones voltios. Los nuevos aceleradores diminutos, con apenas miles de electrones voltios, no crearán bosones de Higgs pronto, la partícula famosamente encontrada en el LHC en 2012 (SN: 6/29/22). Pero estos dispositivos tienen su propio conjunto de aplicaciones potenciales.

Por ejemplo, los electrones de alta energía pueden tratar el cáncer de piel dañando el ADN de las células cancerosas y matándolas. Pero generar los electrones energéticos actualmente requiere una sala llena de maquinaria voluminosa. Con un acelerador en un chip, la terapia con haces de electrones podría volverse más accesible.

Y tratamientos similares podrían ir más allá de la piel. "El sueño es poder tener una fibra que pueda ingresar al cuerpo humano para realizar un tratamiento de radiación local... porque todo el acelerador puede caber dentro de ti", dice Pietro Musumeci de la Universidad de California en Los Ángeles, que es miembro de ACHIP pero no estuvo involucrado en los nuevos resultados.

Otra aplicación podría ser utilizar los dispositivos para crear estados especiales de luz que podrían ser útiles para la computación cuántica. O los aceleradores podrían ser útiles para la investigación de materiales, por ejemplo, para crear imágenes de materiales delgados con una resolución de tiempo ultrarreducida.

Pero los aceleradores todavía tienen un largo camino por recorrer. Los electrones emergen de los dispositivos a una tasa que está muchos órdenes de magnitud por debajo de los aceleradores convencionales. Y aunque los dispositivos enfocan el haz en dos dimensiones (en la dirección del haz y perpendicularmente a él horizontalmente), se necesita trabajo adicional para enfocar el haz verticalmente.

La ganancia de energía de los dispositivos todavía necesita aumentarse. La energía que los electrones acumulan en una distancia de aceleración determinada es comparable a la de los aceleradores convencionales, decenas de millones de electrones voltios por metro. Pero los científicos quieren superar ampliamente esos aceleradores con miles de millones de electrones voltios por metro.

Aun así, el trabajo demuestra técnicas que alguna vez parecían absurdas de intentar. Al principio, cuando Byer describía la idea a colegas, "todos se reían a carcajadas", dice. "Ya no recibimos risas; ahora recibimos apreciación".

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