在粒子物理领域，激光驱动的高能电子加速器的设计和实施一直是核心研究的关键组成部分。传统上，实现电子的高能量加速需要依赖于大型、复杂且高成本的设备，例如位于德国的欧洲X射线自由电子激光器中心的电子加速器和加州的斯坦福直线加速器（SLAC），它们的长度分别为3.4公里和3.2公里。这些设备的尺寸和经济投入对其在医学和工业应用中的普及造成了限制。近期，有 两个独立的研究团队已经成功在硅芯片上制造出由激光驱动的粒子加速器，未来有望应用于医学、工业以及高能粒子物理实验中 ，相关研究成果分别发表在 nature 和 arXiv 上（注1）。
粒子加速的演变：从传统方法到纳米光子腔
在传统的粒子加速器中，电子是通过金属腔内电场的微波振荡来加速的，这一过程就像冲浪者在行波上滑行。其最大加速梯度通常为每米几十兆伏，由腔内金属部件间的最大电场决定。德国埃尔朗根-纽伦堡大学（FAU）的Peter Hommelhoff解释说：“金属表面的确切反应尚不清楚，这仍是一个备受关注的研究领域。但当电场过大时，金属表面会形成小金字塔状结构，随后电子会从其上喷射出来，导致电场崩溃。”
由于传统加速器存在高成本和技术挑战，研究者们一直在寻找替代的加速方法。最新的研究显示，通过将激光脉冲发射到由硅纳米结构制成的微型光学腔中，可以产生所需的振荡电场。Peter Hommelhoff指出，物理学家花了近30年的时间才认识到，可以通过使用可见光来驱动纳米光子腔实现电子的加速。由于可见光的波长比微波短得多，这使得设备可以制造得更小。他还强调了这种方法的一个关键优势：“使用激光驱动时，我们不再需要金属结构。普通的玻璃就已经足够，并且可以产生与微波腔和微波场相同的模式。”然而，由于这种腔体是由绝缘材料制成的，表面上不会积累大量的电荷，这意味着加速梯度的主要限制是材料的击穿场强。从理论上讲，这使得纳米光子集成粒子加速器能够在一个微小的、精确聚焦的光束中产生电子束。但这也带来了实际的挑战，如电子束内的电子间的相互排斥，以及束的压缩可能导致其在其他方向上的扩散。
纳米技术驱动：介电激光加速器的突破与实践
在早期的研究中，研究人员已经证明了通过交替相位聚焦技术可以有效缓解电子束的排斥问题。这种方法使得电子在两个方向上交替地受到限制，从而产生了振荡的场分布。近期，Peter Hommelhoff领导的德国埃尔朗根-纽伦堡大学的团队和Olav Solgaard、Uwe Niedermeyer领导的斯坦福大学与德国达姆施塔特工业大学的联合团队都对这种加速器进行了深入探索，都成功地开发了纳米光子介电激光加速器。这些加速器能够提高电子束的能量，而不会导致电子束的分裂。
Olav Solgaard和Uwe Niedermeyer的团队研制了两种不同的加速器，其中一个在斯坦福大学，另一个在达姆施塔特工业大学。他们的一个设计能够在708 μm的距离内将96 keV的电子能量提高25%，这大约是人类头发厚度的十倍。
Peter Hommelhoff团队研制的装置在较低的能量下运行，同时，在500 μm的范围内将电子能量从28.4 keV加速到40.7 keV。但Peter Hommelhoff提到这种方法也存在着一些问题。例如，当加速速度仅为光速三分之一的非相对论性电子时，产生与电子同步的光学模式会变得非常困难，且这种方法的效率并不高。埃尔朗根-纽伦堡大学的介电激光加速器的微芯片如图1所示（下半部分是一分欧元硬币，以作比较）。
图1埃尔朗根-纽伦堡大学的介电激光加速器微芯片
（图源：埃尔朗根-纽伦堡大学）
微型化的未来：加速器技术的应用与挑战
研究团队目前正努力在击穿场强比硅更高的材料中制造设备，以实现更高的场梯度。他们坚信，在短期内，这种加速技术可以在医学成像和暗物质探索中得到应用。Olav Solgaard表示，尽管他可能是少数几个认为这种技术在高能物理中有前景的人，但他相信这项技术可以应用于如石英（其击穿场强是传统加速器的近1000倍）这样的材料。他进一步解释说：“我们已经从毫米级进展到了一米级，一旦达到一米，我们在能量上就应该能与SLAC相匹配。试想一下，我的办公室里放置一个与SLAC相匹配的加速器会是什么样子。”
英国利物浦大学的加速器科学家Carsten Welsch认为，这两个团队都为实现芯片上的真正加速器迈出了关键的一步。但他同时也提醒，光束控制和微型诊断方面仍有大量的工作要完成。
关于应用前景，Carsten Welsch表示：“对于导管式医疗应用我持有与他们相同的乐观看法，即能够实现将电子引导至所需位置，我个人认为其在微型光源的应用潜力最大。结合高质量的电子束和光可以为我们开辟全新的研究和应用机会。”尽管如此，他对像粒子对撞机这样的应用仍持保留意见，强调这种机器需要高亮度和高质量的光束，并认为下一个大型强子对撞机不太可能是一个介电激光加速器。
注1：相关研究成果链接
nature：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7
arXiv：
https://arxiv.org/abs/2310.02434
原文链接：
https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/
