粒子加速器的大小从几平方米到大型研究中心不等。利用激光加速光子纳米结构中的电子是一种微观替代方法，有可能大大降低成本，并使设备的体积大大缩小。到目前为止，还没有证据表明这种方法能大幅提高能量。换句话说，还没有证明电子的速度有显著提高。

现在，埃尔兰根-纽伦堡大学（FAU）的一个激光物理学家小组与斯坦福大学的同事们同时成功地展示了首个纳米光子电子加速器。

说到 "粒子加速器"，人们往往会联想到日内瓦的大型强子对撞机--一个长约 27 公里的环形隧道，但像这样巨大的加速器只是个例外。更常见的是用于医学成像程序或放射治疗肿瘤的加速器。这些设备仍然只有几米大小，在空间消耗和性能方面都还有改进的余地。

研究人员成功地在只有几纳米大小的结构中对电子进行了可测量的加速。由 Julian Litzel/FAU 提供。

为了缩小现有设备的尺寸并提高其性能，研究人员开始研究介质激光加速或纳米光子加速器。他们使用的结构长度仅为 0.5 毫米，电子被加速通过的通道宽度约为 225 纳米。粒子通过照射纳米结构的超短激光脉冲加速。

"最近发表的论文的四位主要作者之一 Tomáš Chlouba 说："我们梦想的应用是在内窥镜上安装粒子加速器，以便能够直接对体内受影响的部位进行放射治疗。

物理学教授彼得-霍梅尔霍夫（Peter Hommelhoff）领导的团队可能仍无法实现这一梦想，但纳米光子电子加速器的展示使这一梦想更接近现实。

"凝聚态物理研究所的罗伊-希洛（Roy Shiloh）说："我们第一次真正可以在芯片上实现粒子加速器。

大约两年前，研究小组成功地使用了早期加速理论中的交替相聚焦（APF）方法，控制了真空通道中电子的长距离流动，这是向建造粒子加速器迈出的重要第一步。下一步是加速，以获得大量能量。

"研究员斯蒂芬妮-克劳斯（Stefanie Kraus）说："利用这项技术，我们现在不仅成功地引导了电子，还在这些纳米加工结构中加速了电子，其长度达到半毫米。

虽然这听起来并不起眼，但却是加速器物理学领域的重要一步。

"我们获得了 12 千电子伏的能量。研究员莱昂-布吕克纳（Leon Brückner）说。

为了将粒子加速到如此大的距离（从纳米尺度看），FAU 的物理学家们将 APF 方法与专门开发的柱形几何结构相结合。

现在的目标是提高能量和电子电流的增益，使芯片上的粒子加速器足以应用于医学领域。为此，能量增益必须提高约 100 倍。

"Chlouba说："为了在该结构的输出端以更高的能量获得更大的电子电流，我们必须扩大结构或将几个通道相邻放置。

斯坦福大学的研究人员几乎同时展示了 FAU 团队取得的进展，他们的成果目前正在接受审查。在戈登和贝蒂-摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）资助的一个项目中，这两个团队正在合作实现芯片加速器。

FAU的研究成果发表在《自然》（www.doi.org/10.1038/s41586-023-06602-7）上。