En una ladera sobre la Universidad de Stanford, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC opera un instrumento científico de casi 2 millas de largo. En este acelerador gigante, una corriente de electrones fluye a través de un tubo de vacío, a medida que las ráfagas de radiación de microondas empujan las partículas cada vez más rápidohasta que su velocidad se aproxime a la velocidad de la luz, creando un poderoso haz que los científicos de todo el mundo usan para sondear las estructuras atómicas y moleculares de los 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 peloancho, el tipo de impulso de energía que lleva a las microondas muchos pies.
Escribiendo en la edición del 3 de enero de ciencia , un equipo dirigido por la ingeniera eléctrica Jelena Vuckovic explicó cómo tallaron un canal a nanoescala de silicio, lo sellaron al vacío y enviaron electrones a través de esta cavidad mientras pulsos de luz infrarroja, para los cuales el silicio es tan transparente como el vidrio esluz visible: fueron transmitidas por las paredes del canal para acelerar los electrones.
El acelerador en un chip demostrado en ciencia 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 descubrimiento biológico que no requieren el poder 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 de aceleradores de una manera que los haga másherramienta de investigación accesible "
Los miembros del equipo comparan su enfoque con la forma en que la informática evolucionó de la computadora central 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, coautordel ciencia papel. Nuevamente, es cuestión de tamaño. Hoy en día, las máquinas de rayos X médicas llenan una habitación y emiten un haz de radiación que es difícil de enfocar en los tumores, lo que requiere que los pacientes usen protectores de plomo para minimizar el daño colateral.
"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 lidera el programa internacional Accelerator on a Chip, o ACHIP, un esfuerzo más ampliode los cuales esta investigación actual es 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 electrones en el momento justo y en el ángulo correcto, para moverloshacia 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 microondasmiden 4 pulgadas desde el pico hasta el 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 electrones en distancias tan cortas en comparación con las microondas. Pero esto también significa que las características físicas del chipdebe ser 100.000 veces más pequeño que las estructuras de cobre en un acelerador tradicional. Esto exige un nuevo enfoque de 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 el correctoestructuras a nanoescala 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 en el ciencia papel
El algoritmo de diseño surgió con 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 corren a través de la pared del cañón en puntos 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 de un cabello, en la superficie de un sellado al vacío.chip de silicio, hecho por miembros del equipo en Stanford.
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 como para fines de investigación o médicos. Este chip prototipo proporciona solo una etapa de aceleración,y el flujo de electrones tendría que atravesar alrededor de 1,000 de estas etapas para alcanzar 1MeV. Pero eso no es tan desalentador como puede parecer, dijo Vuckovic, porque este prototipo de acelerador en un chip es un circuito completamente integrado.de las funciones críticas necesarias para crear aceleración están integradas directamente 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, dicho dispositivo aún tendría poca potencia junto con las capacidades deel 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 la luz un día desafiarán las capacidades de los aceleradores impulsados 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 utilizan pararadioterapia 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 en forma de catéter que podría insertarse debajo de la piel, justo al lado de un tumor, usando la partículahaz para administrar radioterapia quirúrgicamente.
"Podemos obtener beneficios médicos de la miniaturización de la tecnología del acelerador además de las aplicaciones de investigación", dijo Solgaard.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Tom Abate. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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