Investigadores de Stanford construyen un acelerador de partículas que cabe en un chip

En una ladera sobre la Universidad de Stanford, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC opera un instrumento científico de casi 2 millas de largo. En este acelerador gigante, una corriente de electrones fluye a través de una tubería de vacío, a medida que las ráfagas de radiación de microondas empujan las partículas cada vez más rápido hacia adelante hasta que su velocidad se aproxima a la velocidad de la luz, creando un poderoso haz que los científicos de todo el mundo usan para sondear el estructuras atómicas y moleculares de materiales inorgánicos y biológicos.

Ahora, por primera vez, los científicos de Stanford y SLAC han creado un chip de silicio que puede acelerar los electrones, aunque a una fracción de la velocidad de ese instrumento masivo, utilizando un láser infrarrojo para entregar, en menos de un cabello, el tipo de impulso de energía que lleva a las microondas muchos pies.

Escribiendo en la edición del 3 de enero de Science, un equipo dirigido por la ingeniera eléctrica Jelena Vuckovic explicó cómo tallaron un canal a nanoescala de silicio, lo sellaron en el vacío y enviaron electrones a través de esta cavidad mientras pulsos de luz infrarroja, a los cuales se dirige el silicio. Tan transparente como el vidrio es a la luz visible, fueron transmitidas por las paredes del canal para acelerar los electrones.

El acelerador en un chip expuesto en Science es solo un prototipo, pero Vuckovic dijo que sus técnicas de diseño y fabricación se pueden ampliar para entregar haces de partículas lo suficientemente acelerados como para realizar experimentos de vanguardia en química, ciencia de materiales y descubrimientos biológicos. No requiere la potencia de un acelerador masivo.

"Los aceleradores más grandes son como telescopios potentes. Solo hay unos pocos en el mundo y los científicos deben venir a lugares como SLAC para usarlos", dijo Vuckovic. "Queremos miniaturizar la tecnología del acelerador de manera que sea una herramienta de investigación más accesible".

Los miembros del equipo comparan su enfoque con la forma en que la informática evolucionó del mainframe a la PC más pequeña pero útil. La tecnología de acelerador en un chip también podría conducir a nuevas terapias de radiación contra el cáncer, dijo el físico Robert Byer, coautor del artículo de Science. De nuevo, es una cuestión de tamaño. Hoy en día, las máquinas médicas de rayos X llenan una habitación y emiten un haz de radiación difícil de enfocar en los tumores, que requieren que los pacientes usen protectores de plomo para minimizar el daño colateral.

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"En este documento comenzamos a mostrar cómo podría ser posible administrar radiación de haz de electrones directamente a un tumor, sin afectar el tejido sano", dijo Byer, quien dirige el Programa Internacional Accelerator on a Chip, o ACHIP, un esfuerzo más amplio del cual esta investigación actual es una parte.

Diseño inverso

En su artículo, Vuckovic y el estudiante graduado Neil Sapra, el primer autor, explican cómo el equipo construyó un chip que dispara pulsos de luz infrarroja a través del silicio para golpear los electrones en el momento justo y en el ángulo correcto, para moverlos hacia adelante solo Un poco más rápido que antes.

Para lograr esto, dieron vuelta el proceso de diseño. En un acelerador tradicional, como el de SLAC, los ingenieros generalmente elaboran un diseño básico, luego ejecutan simulaciones para organizar físicamente las ráfagas de microondas para proporcionar la mayor aceleración posible. Pero las microondas miden 4 pulgadas de pico a valle, mientras que la luz infrarroja tiene una longitud de onda de una décima parte del ancho de un cabello humano. Esa diferencia explica por qué la luz infrarroja puede acelerar los electrones en distancias tan cortas en comparación con las microondas. Pero esto también significa que las características físicas del chip deben ser 100,000 veces más pequeñas que las estructuras de cobre en un acelerador tradicional. Esto exige un nuevo enfoque de la ingeniería basado en la fotónica y la litografía integradas con silicio.

El equipo de Vuckovic resolvió el problema utilizando algoritmos de diseño inverso que su laboratorio ha desarrollado. Estos algoritmos permitieron a los investigadores trabajar hacia atrás, especificando cuánta energía de luz querían que entregara el chip y asignando al software la sugerencia de cómo construir las estructuras de nanoescala correctas necesarias para que los fotones entren en contacto con el flujo de electrones.

"A veces, los diseños inversos pueden producir soluciones en las que un ingeniero humano podría no haber pensado", dijo R. Joel England, científico del personal de SLAC y coautor del artículo de Science .

El algoritmo de diseño creó un diseño de chip que parece casi de otro mundo. Imagine mesas a nanoescala, separadas por un canal, grabadas en silicio. Los electrones que fluyen a través del canal atraviesan una cadena de cables de silicio, que atraviesan la pared del cañón en lugares estratégicos. Cada vez que el láser pulsa, lo que hace 100,000 veces por segundo, una explosión de fotones golpea un montón de electrones, acelerándolos hacia adelante. Todo esto ocurre en menos del ancho de un cabello, en la superficie de un chip de silicio sellado al vacío, hecho por miembros del equipo de Stanford.

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Los investigadores quieren acelerar los electrones al 94 por ciento de la velocidad de la luz, o 1 millón de electronvoltios (1MeV), para crear un flujo de partículas lo suficientemente potente para fines de investigación o médicos. Este chip prototipo proporciona solo una etapa de aceleración, y el flujo de electrones tendría que pasar por alrededor de 1,000 de estas etapas para alcanzar 1MeV. Pero eso no parece tan desalentador, dijo Vuckovic, porque este prototipo de acelerador en un chip es un circuito totalmente integrado. Eso significa que todas las funciones críticas necesarias para crear la aceleración están integradas en el chip, y aumentar sus capacidades debería ser razonablemente sencillo.

Los investigadores planean empaquetar mil etapas de aceleración en aproximadamente una pulgada de espacio en chips para fines de 2020 para alcanzar su objetivo de 1MeV. Aunque eso sería un hito importante, un dispositivo de este tipo aún tendría poca potencia junto con las capacidades del acelerador de investigación SLAC, que puede generar niveles de energía 30,000 veces mayores que 1MeV. Pero Byer cree que, así como los transistores eventualmente reemplazaron los tubos de vacío en la electrónica, los dispositivos basados en luz un día desafiarán las capacidades de los aceleradores accionados por microondas.

Mientras tanto, en anticipación del desarrollo de un acelerador de 1MeV en un chip, el ingeniero eléctrico Olav Solgaard, coautor del artículo, ya ha comenzado a trabajar en una posible aplicación para combatir el cáncer. Hoy en día, los electrones altamente energizados no se usan para la radioterapia porque quemarían la piel. Solgaard está trabajando en una forma de canalizar electrones de alta energía desde un acelerador del tamaño de un chip a través de un tubo de vacío similar a un catéter que podría insertarse debajo de la piel, justo al lado de un tumor, utilizando el haz de partículas para administrar la radioterapia quirúrgicamente.

"Podemos obtener beneficios médicos de la miniaturización de la tecnología del acelerador además de las aplicaciones de investigación", dijo Solgaard.