تمتلك مسرعات الجسيمات إمكانات هائلة لتطبيقات أشباه الموصلات، والتصوير الطبي والعلاج، والمواد، والطاقة، والأبحاث الطبية. ومع ذلك، تتطلب المسرعات التقليدية مساحة كبيرة (كيلومترات)، وهي باهظة الثمن، وتقتصر على عدد قليل من المختبرات والجامعات الوطنية. قام فريق بحث تعاوني بتطوير معجل جسيمات مدمج قادر على إنتاج حزم إلكترونية عالية الطاقة بحجم أصغر بكثير من المسرعات التقليدية. يجلب هذا الإنجاز إمكانيات جديدة للطب وأشباه الموصلات والبحث العلمي، مع التخطيط لمزيد من التصغير وزيادة التطبيق العملي.
أظهر باحثون في جامعة تكساس في أوستن، ومختبرات وطنية متعددة، وجامعات في أوروبا، وشركة TAU Systems ومقرها تكساس، مسرعًا للجسيمات المدمجة يبلغ طوله أقل من 20 مترًا، ويمكنه إنتاج شعاع إلكتروني بطاقة تبلغ 10 مليار إلكترون فولت (10GeV). حاليًا، لا يوجد سوى مسرعين آخرين في الولايات المتحدة قادران على الوصول إلى مثل هذه الطاقات الإلكترونية العالية، لكن يبلغ طول كل منهما حوالي 3 كيلومترات.
وقال بيورن "مانويل" هيغيليتش، الأستاذ المشارك في الفيزياء بجامعة تكساس في أوستن والرئيس التنفيذي لشركة TAU Systems: "يمكننا الآن تحقيق هذه الطاقات في حدود 10 سنتيمترات"، في إشارة إلى حجم الغرفة التي تولد شعاع الإلكترون. وهو المؤلف الرئيسي لورقة تصف إنجازاتهم والتي نُشرت مؤخرًا في مجلة Matter and Radiation at Extreme.
يقوم هيجليش وفريقه حاليًا باستكشاف كيفية استخدام مسرعهم، المسمى Advanced Wang Field Laser Accelerator، لمجموعة متنوعة من الأغراض. ويأملون في استخدامه لاختبار مقاومة الإشعاع للإلكترونيات الفضائية، وتصوير البنية الداخلية ثلاثية الأبعاد لتصميمات شرائح أشباه الموصلات الجديدة، وحتى تطوير علاجات جديدة للسرطان وتقنيات التصوير الطبي المتقدمة.
يمكن أيضًا استخدام المسرع لتشغيل جهاز آخر يسمى ليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية، والذي يمكنه تصوير عمليات الحركة البطيئة على المستوى الذري أو الجزيئي. ومن أمثلة هذه العمليات التفاعلات بين الخلايا الدوائية، والتغيرات داخل البطاريات التي يمكن أن تسبب اشتعالها، والتفاعلات الكيميائية داخل الألواح الشمسية، وتغيرات شكل البروتينات الفيروسية عندما تصيب الخلايا.
ظهر مفهوم مسرّع ليزر وانغتشانغ لأول مرة في عام 1979. حيث ضربت أشعة ليزر قوية للغاية غاز الهيليوم، مما أدى إلى تسخينه إلى بلازما وإنشاء موجات تطرد الإلكترونات الموجودة في الغاز من شعاع الطاقة العالية. على مدى العقود القليلة الماضية، طورت مجموعات بحثية مختلفة إصدارات أكثر قوة. اعتمد هيجليش وفريقه في التقدم الرئيسي على الجسيمات النانوية. يقوم الليزر المساعد بإشعاع اللوحة المعدنية في غرفة الغاز، وتقوم اللوحة المعدنية بحقن تدفق من الجسيمات المعدنية النانوية، وبالتالي تعزيز طاقة موجة الإلكترون.
يشبه الليزر قاربًا يجدف عبر البحيرة، ويترك تموجًا، والإلكترونات تشبه راكبي الأمواج الذين يركبون موجة البلازما هذه.
وقال هيجليتش: "من الصعب الدخول في موجة كبيرة دون أن تتحطم، لذلك يتم جر راكبي الأمواج إلى الموجة بواسطة الزلاجات النفاثة". "إن ما يعادل الزلاجات النفاثة في مسرعنا هو جسيمات نانوية تطلق الإلكترونات في الوقت المناسب تمامًا وفي النقطة المناسبة، وبالتالي تكون الإلكترونات في الموجة. نحصل على المزيد من الإلكترونات في الموجة متى وأينما نريد ذلك، بدلاً من توزيعها إحصائيًا طوال التفاعل، وهذه هي خلطتنا السرية."
في هذه التجربة، استخدم الباحثون أحد أقوى أجهزة الليزر النبضية في العالم، وهو جهاز Texas Petawatt Laser. تبلغ قوة نبضة ليزر بيتاوا الواحدة حوالي 1000 ضعف الطاقة المستخدمة في الولايات المتحدة، ولكنها تدوم 150 فيمتوثانية فقط، أي أقل من جزء من المليار من وقت تفريغ البرق. هدف الفريق على المدى الطويل هو تزويد نظامهم بالطاقة بالليزر الذي يقومون بتطويره حاليًا والذي يمكن أن يوضع على طاولة ويطلق النار بشكل متكرر آلاف المرات في الثانية، مما يجعل المسرع بأكمله أكثر إحكاما وقابل للتطبيق على نطاق أوسع من التطبيقات مقارنة بالمسرعات التقليدية.