Кристаллическое устройство можно использовать для создания крошечных ускорителей частиц

Устройство размером с чип может производить очень интенсивный свет, который может помочь в создании крошечных рентгеновских аппаратов и ускорителей частиц.

Кармела Падавик-Каллаган

4 января 2023 г.

Иллюстрация фотонных кристаллов, материалов, которые могут улавливать и направлять свет.

Дж. Джоаннопулос/НАУЧНАЯ ФОТОБИБЛИОТЕКА

Устройство микрометрового размера, которое производит свет путем запуска луча электронов над пластинкой кристалла, может быть использовано для создания крошечных ускорителей частиц и рентгеновских аппаратов. Такие устройства размером с чип можно было бы производить быстрее, дешевле и компактнее, чем нынешние ускорители частиц.

Новое устройство, созданное И Яном из Университета Гонконга и его коллегами из Массачусетского технологического института, состоит из специального куска кремния, называемого фотонным кристаллом, модифицированного сканирующего электронного микроскопа, который запускает над ним луч электронов, и устройство, которое обнаруживает излучаемый свет. Установка использует преимущества электромагнитных полей, которые окружают электроны во время их движения, что может возбуждать заряженные частицы в близлежащем материале – в данном случае фотонном кристалле – и излучать свет.

Из математических моделей исследователи знали, что они могут улучшить взаимодействие между кристаллом и электронами, добавив к первому узор, поэтому они выгравировали на нем сетку круглых углублений, каждое шириной около 100 нанометров. Свет и электроны обычно мало взаимодействуют, но создание энергии и импульса света, соответствующих энергии электронов, позволяет обеспечить необычайно сильное взаимодействие между ними. По словам Янг, этот метод сопоставления может в конечном итоге увеличить излучение света в миллион раз.

Этот свет имеет множество потенциальных применений: от спектроскопии, в которой свет помогает ученым узнать о внутренней структуре различных материалов, до коммуникации на основе света.

Примечательно, что его можно использовать для создания крошечных ускорителей частиц, говорит Питер Хоммельхофф из Университета Эрланген-Нюрнберг в Германии. Исследователи могли бы использовать интенсивные световые импульсы для ускорения частиц вместо того, чтобы воздействовать на них микроволнами, как это происходит чаще, говорит он.

Томас Краусс из Йоркского университета в Великобритании говорит, что новое устройство может стать не только шагом на пути к крошечным ускорителям частиц, но и к меньшим рентгеновским аппаратам. Рентгеновские лучи — это, по сути, световые волны с длиной волны, слишком короткой для того, чтобы мы могли ее увидеть. Адаптировав структуру кремния и скорость электронов в устройстве, можно будет изменить длину волны излучаемого света на рентгеновские лучи.

«Когда вы делаете рентген у врача, это огромная машина. Теперь мы можем представить, что делаем это с помощью небольшого источника света на чипе», — говорит он. Это может сделать рентгеновскую технологию более доступной для небольших или удаленных медицинских учреждений или сделать ее портативной для использования службами быстрого реагирования в случае несчастного случая.

Природа DOI: 10.1038/s41586-022-05387-5

Темы: