Acelerador de partículas en un chip

Este avance podría generar nuevos y diminutos dispositivos en ciencia y medicina, dicen investigadores de Stanford

Configuración experimental. Dentro del recuadro, el diagrama de la estructura DLA indicando la dirección del campo de polarización y el reinicio de la fase periódica efectiva, mostrada aquí con flechas rojas (aceleración) y negras (desaceleración) intercaladas. (crédito: E. A. Peralta et al./Nature)

En una avance que podría dramáticamente cambiar nuestra concepción de los aceleradores de partículas para ciencia y medicina, los investigadores utilizaron un láser para acelerar electrones a un promedio 10 veces mayor que la tecnología convencional en un chip de cristal nanoestructurado de sólo 0.5 milímetros de longitud.

Este logro fue publicado en la revista Nature por el equipo de científicos provenientes del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC (del Departamento de Energía de los Estados Unidos) y la Universidad de Stanford.

Aceleradores compactos y dispositivos de rayos X

“Tenemos aún algunos retos antes de que esta tecnología sea de uso práctico en el mundo real, pero eventualmente reducirá substancialmente el costo y tamaño de futuros colisionadores de alta energía para explorar el mundo de partículas y fuerzas fundamentales”, dijo Joel England, físico que dirigió los experimentos.

“Este avance podría permitir el desarrollo de aceleradores compactos y dispositivos de rayos X para seguridad, terapia médica e imágenes, así como investigación en biología y ciencia de materiales”.

Este avance utiliza técnicas de lásers comerciales y de bajo costo para producción masiva, los investigadores consideran que dará paso a una nueva generación de aceleradores portátiles (tipo laptop).

En su potencial completo, el nuevo “acelerador en un chip” podría igualar el poder de aceleración del acelerador lineal de 2 millas de longitud utilizado por SLAC en sólo 100 pies, y proporcionar más de millón de pulsos de electrones por segundo.

La demostración inicial logró un gradiente de aceleración, o monto de energía obtenida por longitud del acelerador, de 300 millones electrón volt por metro. Esto es casi 10 veces la aceleración proporciona por el acelerador lineal actual del SLAC.

“Nuestro principal objetivo para esta estructura es lograr mil millones electrón volt por metro, y estamos ya en el primer tercio de nuestro primer experimento”, dijo Robert Byer, profesor de física aplicada en Stanford.

Cómo funciona

Los aceleradores actuales utilizan microondas para incrementar la energía de los electrones. Los investigadores han buscado alternativas más económicas y esta nueva técnica, que usa láser ultra rápido para hacer funcionar el acelerador, es el candidato principal en esa búsqueda.

Las partículas son generalmente aceleradas en dos etapas. Primeramente, su energía se incrementa casi a la velocidad de la luz. Luego, cualquier aceleración adicional incrementa su energía, pero no su velocidad: aquí se encuentra la parte con el mayor reto.

En los experimentos con el “acelerador en un chip”, los electrones son primeramente acelerados a casi la velocidad de la luz de un acelerador convencional. Luego, se concentran en un canal diminuto con una altura de 0.5 micrón con un chip de cristal de sólo 0.5 milímetro de largo.

Al canal se le aplicaron previamente patrones espaciados con precisión en nanoescala. El rayo láser infrarrojo que ilumina estos patrones genera campos eléctricos que interactúan con los electrones en el canal para incrementar su energía (Ver la animación del vídeo para mayor detalle).

Convertir el acelerador en un chip en un acelerador portátil requerirá una manera más compacta aún de lograr la aceleración de los electrones antes de entrar al dispositivo.

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