لأول مرة، نجح الباحثون في استخدام جهاز نانوي لتسريع الإلكترونات. تعتبر مسرعات الجسيمات أدوات مهمة في العديد من المجالات بما في ذلك الصناعة والبحث والطب. وتتراوح المساحة المطلوبة لهذه الآلات من بضعة أمتار مربعة إلى مراكز بحثية كبيرة. يعد استخدام الليزر لتسريع الإلكترونات في الهياكل النانوية الضوئية بديلاً مجهريًا لديه القدرة على تقليل التكاليف بشكل كبير وتمكين الأجهزة من أن تكون أصغر بكثير.
حتى الآن، لا يوجد دليل على أن هذا النهج يمكن أن يزيد بشكل كبير من الطاقة. بمعنى آخر، لم يثبت أن سرعة الإلكترونات زادت فعليًا بشكل ملحوظ. الآن، نجح فريق من علماء فيزياء الليزر من جامعة فريدريش ألكسندر إرلانجن نورمبرغ (FAU)، جنبًا إلى جنب مع زملاء من جامعة ستانفورد، في عرض أول مسرع إلكترون ضوئي نانوي.
مسرعات الجسيمات وتطورها النانوي
عندما يسمع الناس عبارة "مسرع الجسيمات"، ربما يفكر معظم الناس في مصادم الهادرونات الكبير الموجود في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) في جنيف. يستخدم هذا النفق الدائري الذي يبلغ طوله 27 كيلومترًا باحثون من جميع أنحاء العالم لدراسة الجسيمات الأولية غير المعروفة. ومع ذلك، فإن مسرع الجسيمات العملاق هذا يعد استثناءً. ومن المرجح أن نواجهها في أماكن أخرى من حياتنا اليومية، مثل أثناء إجراءات التصوير الطبي أو العلاج الإشعاعي للأورام. ومع ذلك، لا يزال حجم هذه الأجهزة يبلغ عدة أمتار، وهي ضخمة جدًا وتترك الكثير مما هو مرغوب فيه من حيث الأداء.
وفي محاولة لتحسين وتقليل حجم الأجهزة الموجودة، يعمل الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم على مسرعات الليزر العازلة، والمعروفة أيضًا باسم مسرعات النانوفوتون. يبلغ طول الهيكل الذي استخدموه 0.5 ملليمتر فقط، ويبلغ عرض القناة التي يتم من خلالها تسريع الإلكترونات حوالي 225 نانومتر فقط، مما يجعل هذه المسرعات صغيرة مثل رقائق الكمبيوتر.
يتم تسريع الجسيمات بواسطة نبضات ليزر فائقة القصر تضيء الهياكل النانوية. يوضح الدكتور توماس كلوبا، أحد المؤلفين الأربعة الرئيسيين للدراسة المنشورة مؤخرًا: "سيكون تطبيق أحلامنا هو تركيب مسرع الجسيمات على المنظار الداخلي حتى نتمكن من توصيل العلاج الإشعاعي مباشرة إلى الأجزاء المتضررة من الجسم".
ربما لا يزال هذا الحلم بعيد المنال لفريق FAU من قسم فيزياء الليزر بقيادة البروفيسور بيتر هوملهوف والمكون من الدكاترة. توماس كلوبا، والدكتور روي شيلوه، وستيفاني كراوس، وليون بروكنر، وجوليان ليتزل، لكنهم تمكنوا الآن من اتخاذ خطوة حاسمة في الاتجاه الصحيح من خلال عرض مسرع الإلكترون النانوي. قال الدكتور روي شيلوه بحماس: "للمرة الأولى، يمكننا بالفعل تنفيذ مسرع الجسيمات على شريحة."
الإلكترونات الموجهة + التسارع = مسرع الجسيمات
منذ ما يزيد قليلاً عن عامين، حقق فريق البحث أول إنجاز كبير له: فقد استخدموا بنجاح طريقة التركيز على الطور المتناوب (APF) من نظرية التسارع المبكر للتحكم في تدفق الإلكترونات لمسافات طويلة في قناة مفرغة. وهذه خطوة مهمة على طريق بناء مسرعات الجسيمات. الآن، كل ما تحتاجه للحصول على قدر كبير من القوة هو التسارع.
توضح ستيفاني كراوس: "باستخدام هذه التقنية، نجحنا الآن ليس فقط في توجيه الإلكترونات، ولكن أيضًا في تسريعها في هذه الهياكل النانوية، والتي يصل طولها إلى نصف ملليمتر". يوضح ليون بروكنر: "في حين أن هذا قد لا يبدو إنجازًا كبيرًا بالنسبة للكثيرين، إلا أنه يعد نجاحًا كبيرًا في مجال فيزياء المسرعات، وقد حققنا طاقات تبلغ 12 كيلو إلكترون فولت".
لتسريع الجسيمات إلى هذه المسافات الكبيرة (من مقياس النانومتر)، قام الفيزيائيون في جامعة FAU بدمج طريقة APF مع هندسة أسطوانية مطورة خصيصًا.
ومع ذلك، هذه المظاهرة هي مجرد البداية. الهدف الآن هو زيادة الطاقة وكسب تيار الإلكترون بحيث تكون مسرعات الجسيمات الموجودة على الرقاقة كافية للتطبيقات الطبية. وللقيام بذلك، يجب زيادة اكتساب الطاقة بنحو 100 مرة. يشرح توماس كلوبا ما هو التالي بالنسبة لفيزيائيي الليزر في جامعة FAU.
تم عرض نتائج أبحاث فيزيائيي الليزر في إرلانجن في وقت واحد تقريبًا من قبل زملائهم في جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة: نتائجهم قيد المراجعة حاليًا ولكن يمكن الاطلاع عليها في قاعدة البيانات. وفي مشروع تموله مؤسسة جوردون وبيتي مور، يتعاون الفريقان لتنفيذ "مسرع على شريحة".
قال الدكتور غاري جرينبيرج من مؤسسة جوردون وبيتي مور: "في عام 2015، كان لدى FAU وفريق ACHIP بقيادة جامعة ستانفورد رؤية لنهج ثوري لتصميم معجل الجسيمات". "ويسعدنا أن دعمنا ساعد في تحويل هذه الرؤية إلى حقيقة."