該圖顯示的是芯片加速器原型放大 2.5 萬倍后的部分圖像，該部分的寬度是人類頭發的十分之一。來源：圖片由 NEIL SAPRA提供

現在，斯坦福大學和SLAC的科學家們首次開發了一個能夠加速電子的硅芯片。盡管只能加速到大型儀器速度的百分之一，但它的長度還不到一根頭發的直徑，使用紅外激光推動這些粒子加速，所達到的能量是微波推進許多英尺才能達到的。

在1月3日出版的《科學》（Science）雜志中，電氣工程師葉連娜?弗科維克（Jelena Vuckovic）領導的研究團隊解釋了他們如何在硅中雕刻納米通道，將其密封形成真空，并通過這個通道發送電子。硅對于紅外線是透明的，就像玻璃對可見光那樣，因此紅外線脈沖會透射過硅通道的壁，加速通道內的電子。

在《科學》雜志上展示的芯片加速器只是一個原型，但弗科維克說，它的設計和制造技術可以進行規模化，直到能將粒子束加速到所需的速度，用于化學、材料科學和生物學領域中一些不需要大型加速器能量的前沿實驗。

弗科維克說：“最大的加速器就像大型望遠鏡。世界上只有幾個，科學家必須到類似SLAC的地方來使用它們。我們希望將加速器技術小型化，使其成為更容易獲得的研究工具。”

這個科研團隊的成員將這種方法類比于計算機從大型機發展到較小但仍然有用的個人電腦。這篇論文的共同作者之一、物理學家羅伯特·拜爾（Robert Byer）說，芯片上的加速器技術也可能引領新的癌癥放射療法。再次強調，這是個尺寸問題。如今的醫用X光機有房間那么大，它發出的射線很難只聚焦在腫瘤上，因此需要患者穿上鉛衣防護服，將附帶損害降到最低。

“在這篇論文中，我們開始展示這種可能性，即將電子束輻射直接發射到腫瘤上，而不影響健康組織，”拜爾說道。他領導著一個芯片加速器國際項目（Accelerator on a Chip International Program），或簡稱為ACHIP，目前的研究就是這個項目的一部分。

為了實現這個目標，他們顛倒了設計過程。在傳統的加速器中，比如SLAC的加速器，工程師們通常會起草一個基本設計，然后運行模擬計算來安排微波加速的實際位置，以提供最大的加速度。但是，微波從波峰到波谷約有10厘米，而紅外線的波長只有人類頭發的十分之一。這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外線可以在短得多的距離內加速電子。但這也意味著該芯片的尺寸必須只有傳統銅結構加速器的十萬分之一，這就需要一種基于硅集成光子學和光刻技術的工程新方法。

弗科維克團隊使用實驗室開發的反向設計算法解決了這個問題。這些算法允許研究人員逆向設計，通過具體設置他們希望芯片傳遞的光能，并讓軟件提出正確的納米尺度結構的設計建議，使光子能恰當地接觸電子流。

“有時候，逆向設計可以得到人類工程師可能想不到的解決方案，”SLAC 的在職科學家、這篇《科學》論文的共同作者 R·喬爾·英格蘭（R. Joel England）說道。

這個設計算法提出了一個看起來幾乎不可思議的芯片布局。試想一個納米尺度的平臺，中間由一個通道隔開，并由硅蝕刻而成。電子在通道中流動，就像一束由硅組成的線，在設計好的位置碰撞著流過通道。激光脈沖每秒發射10萬次，每一次發射時，一束光子撞擊一堆電子，使它們加速前進。所有這些都發生在不到一根頭發絲寬度的地方，在一個真空封裝的硅芯片表面，由斯坦福大學的團隊成員制造。

研究人員希望將電子加速到光速的 94%，即100萬電子伏特（1MeV），從而產生足以用于研究或醫療目的的高能量粒子流。這種芯片原型只提供了一個加速階段，電子流必須通過大約1000個這樣的階段才能達到1MeV。但弗科維克說，這并不像聽起來那么可怕，因為這個芯片加速器原型是一個完全集成的電路。這意味著所有用來加速的關鍵功能都內置在芯片中，提高它的加速能力應該是相當簡單的。

研究人員計劃在2020年年底前將1000個加速階段封裝到約1英寸的芯片空間，實現他們的1MeV目標。盡管這將是一個重要的里程碑，但與SLAC研究加速器的能力相比，這種設備的功率仍然相形見絀。但是拜爾相信，就像晶體管最終取代了電子器件中的真空管一樣，基于光的芯片加速器總有一天會挑戰微波驅動加速器的能力。

與此同時，在計劃開發1MeV芯片加速器的基礎上，該論文的作者之一、電氣工程師奧拉夫·索爾加德（Olav Solgaard）已經開始研究一種可能的抗癌應用。如今，高能量的電子不用于放射治療，因為它們會灼傷皮膚。索爾加德正在研究的方法，通過一根插入體內的導管狀真空管，將芯片加速器中的高能電子導到腫瘤邊上，然后利用粒子束進行手術放射治療。

索爾加德說：“除了研究應用外，加速器技術的小型化還有益于醫療應用。”

原文鏈接：

https://eurekalert.org/pub_releases/2020-01/su-srb122019.php

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