編輯丨風(fēng)云
介電激光加速器（DLA）或納米光子加速器背后的核心思想是利用納米光子介電結(jié)構(gòu)在激光的幫助下加速帶電粒子，特別是電子。與使用射頻波和金屬腔的經(jīng)典粒子加速器不同，DLA 利用光學(xué)近場(chǎng)，在帶電粒子傳播時(shí)與它們同步。通過(guò)設(shè)計(jì)和制造光學(xué)近場(chǎng)與粒子相互作用的納米光子結(jié)構(gòu)，DLA 可以實(shí)現(xiàn)更高的加速梯度，比射頻加速器大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這可以顯著減小加速器設(shè)備的尺寸和成本。使用高損傷閾值介電材料和片上集成可以開發(fā)緊湊且可擴(kuò)展的納米光子加速器，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、材料研究和科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域具有革命性的應(yīng)用。
關(guān)鍵問(wèn)題
雖然過(guò)去納米光子加速器取得了重大進(jìn)展，但在可擴(kuò)展性、制造復(fù)雜性、材料選擇和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)方面仍有挑戰(zhàn)需要克服：
1.可擴(kuò)展性：納米光子加速器的可擴(kuò)展性是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。雖然對(duì)于較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，桶中捕獲的電子數(shù)量大致保持不變，但三維引導(dǎo)和約束需要進(jìn)一步探索和設(shè)計(jì)。
2.制造復(fù)雜性：加速器結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程可能很復(fù)雜，需要精確控制支柱的幾何形狀和尺寸。微調(diào)和優(yōu)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的加速性能是必要的。
3.材料限制：加速器結(jié)構(gòu)的材料選擇至關(guān)重要。需要高損傷閾值材料來(lái)承受強(qiáng)烈的激光場(chǎng)。探索具有更高損傷閾值和合適光學(xué)特性的新材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
4.波長(zhǎng)限制：加速器中使用的激光器的驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)會(huì)影響加速度梯度和可實(shí)現(xiàn)的最大加速度電流。更長(zhǎng)的波長(zhǎng)允許更寬的加速通道寬度和更高的電流電子束。但是，在可用的激光源及其與加速器設(shè)計(jì)的兼容性方面可能存在限制。
新思路
近日，德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)和德國(guó)馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的研究人員展示了一種可擴(kuò)展的納米光子電子加速器，它相干地結(jié)合了粒子加速和橫向束約束，并在僅 225 nm 寬的通道中加速和引導(dǎo)電子超過(guò) 500 μm 的相當(dāng)大的距離。我們觀察到最大相干能量增益為 12.3 keV，相當(dāng)于從最初的 28.4 keV 增加到 40.7 keV，能量增加了 43%。我們預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作將直接導(dǎo)致納米光子加速器的出現(xiàn)，利用高損傷閾值介電材料以最小的尺寸要求提供高達(dá)GeV m?1范圍的高加速梯度。這些片上粒子加速器將實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)、工業(yè)、材料研究和科學(xué)領(lǐng)域的變革性應(yīng)用。
技術(shù)路線：
本研究使用波長(zhǎng)為1,030 nm、脈沖持續(xù)時(shí)間為250 fs、重復(fù)頻率為167 kHz的釔光纖激光作為驅(qū)動(dòng)激光。激光脈沖的能量為600 μJ。使用光參量放大器產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.93 μm、脈沖能量高達(dá)60 μJ的紅外激光脈沖。通過(guò)四次諧波產(chǎn)生257 nm的紫外脈沖，用于觸發(fā)電子源的光電發(fā)射。紅外脈沖的脈沖前傾角度被調(diào)整以與運(yùn)動(dòng)中的電子實(shí)現(xiàn)光學(xué)重疊。激光的偏振方向沿電子傳播方向線性。電子源是經(jīng)過(guò)改裝的商用掃描電子顯微鏡(SEM)，電子脈沖通過(guò)Schottky尖端陰極的光電發(fā)射產(chǎn)生。電子在SEM柱中加速到28.4 keV的束流能量。電子脈沖被聚焦到SEM的樣品室中安裝的加速器結(jié)構(gòu)中。電子脈沖與紅外激光脈沖的時(shí)間重疊由電動(dòng)延遲臺(tái)控制。使用自制的磁譜儀測(cè)量電子能譜。通過(guò)常規(guī)SEM成像進(jìn)行加速器結(jié)構(gòu)的初始對(duì)準(zhǔn)。激光對(duì)準(zhǔn)通過(guò)成像芯片表面的反射來(lái)確定。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1.相干納米光子電子加速：本文提出了一種利用光子納米結(jié)構(gòu)內(nèi)的激光加速電子的新方法。這為傳統(tǒng)粒子加速器提供了一種微觀替代方案，具有潛在的成本和尺寸降低。
2.加速度和束約束的結(jié)合：文章中展示的納米光子電子加速器不僅可以加速電子，還可以在保持束約束的同時(shí)引導(dǎo)它們經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的距離。這種加速度和光束約束的組合是通過(guò)專門設(shè)計(jì)的錐形結(jié)構(gòu)幾何形狀實(shí)現(xiàn)的。
3.高能量增益：文章報(bào)告的最大相干能量增益為12.3 keV，相當(dāng)于能量大幅增加43%。這證明了使用納米光子加速器實(shí)現(xiàn)高加速度梯度的潛力。
4.可擴(kuò)展性和最小尺寸要求：納米光子電子加速器是可擴(kuò)展的，可以使用高損傷閾值介電材料制造。這為開發(fā)GeV m-1范圍內(nèi)具有高加速度梯度的納米光子加速器開辟了可能性，同時(shí)最大限度地減少了尺寸要求。
研究?jī)?nèi)容
實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的精確控制和加速
納米光子結(jié)構(gòu)中同時(shí)加速和束流約束的原理是通過(guò)利用光場(chǎng)與電子束之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)由一系列納米尺度的柱子組成，這些柱子可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的光場(chǎng)。當(dāng)激光脈沖照射到這些柱子上時(shí)，光場(chǎng)與電子束相互作用，產(chǎn)生一個(gè)同步力，使電子束被加速并沿著納米結(jié)構(gòu)的通道進(jìn)行束流約束。
具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)激光脈沖照射到納米結(jié)構(gòu)的柱子上時(shí)，柱子產(chǎn)生的光場(chǎng)與電子束中的電荷相互作用。這種相互作用會(huì)導(dǎo)致電子束受到一個(gè)同步力，該力的方向和大小取決于電子束的位置和速度。通過(guò)調(diào)整激光脈沖的參數(shù)和納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)電子束在納米結(jié)構(gòu)中的加速和束流約束。
通過(guò)這種納米光子結(jié)構(gòu)中的加速和束流約束，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的精確控制和加速，為微型加速器和高能物理研究提供了新的可能性。
圖1 納米光子結(jié)構(gòu)中同時(shí)加速和束流約束的原理
相干電子加速成功
相干電子加速是指通過(guò)光場(chǎng)與周期性納米結(jié)構(gòu)相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的加速。在這種加速過(guò)程中，電子束的能譜會(huì)發(fā)生變化。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到的電子能譜，可以看到在設(shè)計(jì)的加速梯度位置處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的能量峰值。這個(gè)能量峰值對(duì)應(yīng)著設(shè)計(jì)加速梯度的位置，即每個(gè)周期內(nèi)電子束獲得的能量增加量。這表明相干電子加速是成功的，電子束在納米結(jié)構(gòu)中獲得了加速。此外，作者還觀察到能量峰值之外的電子。這些電子只部分被加速，它們被捕獲到加速桶中，但在某個(gè)點(diǎn)失去了同步性，因此失去了加速。這可能是由于電子接近分離曲線或技術(shù)原因?qū)е碌模缂す饷}沖前傾不完全匹配電子速度的增加。
總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)觀察電子能譜，可以確定相干電子加速是成功的，并且電子束在納米結(jié)構(gòu)中獲得了加速。然而，由于一些限制因素，目前的加速梯度相對(duì)較低，但已經(jīng)與射頻加速器的梯度相當(dāng)。
圖2 顯示相干電子加速的電子能譜
新型納米光子加速器
作者展示了一個(gè)納米結(jié)構(gòu)，其中包含了多個(gè)加速器宏單元，通過(guò)引入相位跳變和特殊設(shè)計(jì)的錐形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了納米光子的相位聚焦和束流整形。圖中還展示了電子在加速器結(jié)構(gòu)中的軌跡和能量變化。這個(gè)納米光子加速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則可以為緊湊型光源、緊湊型自由電子激光器和高能量對(duì)撞機(jī)等應(yīng)用提供新的可能性。
圖3 納米光子加速器結(jié)構(gòu)
總結(jié)展望
總的來(lái)說(shuō)，德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)和德國(guó)馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的研究人員制造了幾個(gè)具有不同長(zhǎng)度（從200 μm到500 μm）但設(shè)計(jì)相同的結(jié)構(gòu)。他們觀察到電子的相干加速以及交替相位聚焦。不同結(jié)構(gòu)的平均能量增益分別為4.59 ± 0.29 keV、6.57 ± 0.32 keV、9.05 ± 0.24 keV和10.8 ± 0.29 keV。這些結(jié)果與模擬結(jié)果非常吻合。最佳結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為500 μm，電子的起始能量增加了43%，從28.4 keV增加到40.7 keV。隨著結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的增加，加速的電子數(shù)量保持相對(duì)穩(wěn)定。研究人員還觀察到零損耗峰和零損耗峰周圍的能量調(diào)制，表明電子的加速和減速。一些電子只部分加速并與結(jié)構(gòu)失去同步。
參考文獻(xiàn)：
Tomá? Chlouba*, Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner, Julian Litzel1 & Peter Hommelhoff*, Coherent nanophotonic electron accelerator, Nature. (2023).
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7
