世界最小粒子加速器問世，將電子移動速度增至每秒 10 萬公里

阿良車輪餅

世界最小粒子加速器問世，將電子移動速度增至每秒 10 萬公里

未來某天，一個強大微型粒子加速器可能裝在你的口袋裡。物理學家首次建造出第一台奈米光子電子加速器，既可加速電子，又能將它們限制在可控光束中而非隨意噴射，這是微型加速器更廣泛應用的關鍵一步。

當人們聽到「粒子加速器」，多數反應都是歐洲核子研究組織的大型強子對撞機（LHC）：一條長約 27 公里的環形隧道，讓來自世界各地的研究人員鑽研各種基本粒子性質。

不過日常生活其實也會遇到粒子加速器，比如醫學影像拍攝、腫瘤放射治療設備等，這些設備體積大，性能還有改善空間且價格昂貴。

為了改進、縮小現有設備尺寸，全球物理學家正在研究介電雷射加速器，也稱為奈米光子加速器，若粒子加速設備能小型化，代表我們在一張桌子就能製造高能電子，將替醫學與科學開闢全新可能性。

而德國埃爾朗根-紐倫堡大學（FAU）物理學家 Peter Hommelhoff 團隊最近就帶來創舉，成功展示全球第一個奈米級光子電子加速器，長度僅 0.5 毫米、寬度僅 225 奈米。

電子引導 + 加速 = 粒子加速器

2 年多前，團隊首先取得一個重大突破：利用交替相位聚焦（alternating phase focusing，APF）方法控制真空通道內電子遠距流動，這是建造粒子加速器第一步，只要加速就可讓粒子獲得大量能量。

再來，研究人員用矽製作數千個 2 微米高的「柱子」，排列成 2 條平行線，每條長 0.2 毫米，看起來就像微型摩天大樓，接著將超短雷射脈衝從上方照射這條柱狀「跑道」，同時從側面注入電子，隨著雷射發出的光與柱子相互作用產生電磁場、為通過的電子提供巨大能量，最終電子聚集成狹窄光束，成功以每秒超過十萬公里的速度加速穿過結構。

這對一般人來說聽起來不是什麼大事，但對加速器領域來說是個巨大成就，因為科學家在一個超小加速器上獲得 12keV 能量，或者說能量增益 43%。（雖然與大型強子對撞機相比仍是小巫見大巫）

不過若想達到醫學應用程度，能量增益需增加約 100 倍，因此團隊下一步將繼續嘗試擴展結構，或放置多個彼此相鄰的通道以產生更高能量。

(科技新報)