它是如何工作的：电子从左上角的源注入介电激光加速器（中心）。 空腔位于绿松石色和金条内，用激光照射（以鲑鱼色显示）。 在此示例中，加速电子用于使用波荡器（右下）产生同步加速器光。 （由佩顿·布罗德斯提供）
美国研究人员开发了一种新型激光驱动装置，可以在约一毫米的距离内限制和加速电子。 Payton Broaddus 及其斯坦福大学的同事表示，通过结合Nano科学、激光和真空技术的进步，他们开发出了迄今为止性能最高的介电激光加速器 (DLA)。
除了将电子等带电粒子驱动到高动能之外，有用的加速器还必须能够将粒子限制在窄束中。 此外，光束还必须尽可能接近单能。
在现代设施中，这通常是使用涂有铜或最近涂有铌等超导体的射频 (RF) 腔来完成。 当受到强大的射频信号驱动时，这些谐振腔会产生非常高的电压，以非常特定的能量加速粒子。 然而，以这种方式所能达到的最大粒子能量存在物理限制。
“电磁场太大可能会导致损坏 [cavity] 墙壁，这会毁掉机器，”布罗德斯解释道。 “这是目前所有传统加速器的主要限制，并将安全加速梯度限制在每米数十兆电子伏特。” 事实上，这就是加速器为了获得更高的粒子能量而不断变得更大、更昂贵的主要原因。
替代加速器设计
为了创造更紧凑的设备，世界各地的研究人员正在探索各种替代加速器技术，目标是在最短的距离内实现尽可能高的加速梯度。
DLA 是一项很有前途的技术，它最初设想于 20 世纪 50 年代。 DLA 不是将射频信号定向到导电腔，而是通过介电材料内的微小通道发射激光。 这会在通道内产生交变电场，充当谐振腔。 通过优化空腔的Nano结构并仔细计时电子通过通道的时间，粒子被加速。
虽然这种设置的物理原理与更传统的加速器设计大致相似，但它提供了更高的加速梯度。 这可以用来缩小加速器的尺寸——至少在原则上是这样。
Broaddus 解释说：“这些电Medium能够承受激光的场比铜能够承受射频波的场高一到两个数量级，因此从理论上讲，它们的加速度梯度可以高一到两个数量级。” 然而，他指出，将腔体宽度缩小六个数量级会带来挑战，包括如何将电子限制在束流中，而不是让它们撞到腔壁上。
现在，布罗德斯和同事利用三项技术进步来应对这一挑战。 这些是创造非常精确的半导体Nano结构的能力； 能够产生具有稳定重复率的明亮、相干飞秒激光脉冲； 以及在毫米长的半导体腔内保持超高真空的能力。
新的Nano结构和脉冲
通过仔细设计Nano结构并使用特殊形状的激光脉冲，该团队能够在新腔内产生电场，将电子聚焦成光束。
这使得该团队能够在 0.708 毫米的距离处加速受限电子束，将其能量提高 24 keV。 “与以前的加速器相比，这两个品质因数都提高了一个数量级，”Broaddus 解释道。
基于他们的最新成果，该团队相信 DLA 可以极大地提高研究人员获得亚相对论电子能量的能力。 “DLA 现在可以被视为一种实际的加速器技术，我们可以从我们的设备中提取传统的加速器参数，并可以与其他加速器技术进行比较，”Broaddus 解释道。
反过来，这些改进可以为基础物理学的新发现铺平道路，甚至可能为工业和医学等领域带来新的好处。
该研究在《物理评测快报》中进行了描述。
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