在斯坦福大学的一个山坡上，SLAC国家加速器实验室操作着一个将近2英里长的科学仪器。在这个巨大的加速器,一连串的电子流过真空管道,作为粒子的微波辐射推动更快的向前,直到他们的速度接近光速,创建一个强大的光束,来自世界各地的科学家使用探针原子和分子结构的无机生物材料。
这幅放大了2.5万倍的图像显示了芯片上的加速器的一部分。灰色结构将红外激光(黄色和紫色)聚焦在流经中心通道的电子上。斯坦福大学的研究人员希望通过在一个1英寸大小的芯片上封装1000个通道，将电子加速到光速的94%。(图片来源:Neil Sapra)
现在,第一次,科学家们在斯坦福大学和已经创建了一个硅芯片能够加速电子的- – -尽管一小部分的速度,巨大的仪器——使用一个红外激光交付,在不到一根头发的宽度,微波的能量增加,许多英尺。
在1月3日出版的《科学》杂志中,电气工程师领导的研究小组伊莲娜辩护方解释他们如何雕刻硅纳米通道,密封在真空,通过这个腔而发送电子脉冲的红外线-硅对可见光透明如玻璃是——通过电子沿着通道墙壁速度。
在科学上展示的芯片上的加速器只是一个原型，但是Vuckovic说，它的设计和制造技术可以扩展到提供足够加速的粒子束，以进行化学、材料科学和生物学领域的前沿实验，这些实验不需要大型加速器的能量。
“最大的加速器就像强大的望远镜。世界上只有几个，科学家必须到像SLAC这样的地方来使用它们，”Vuckovic说。“我们希望将加速器技术小型化，使其成为更容易使用的研究工具。”
团队成员将他们的方法比作计算从大型机发展到更小但仍然有用的PC的方式。这篇科学论文的作者之一、物理学家罗伯特·拜尔(Robert Byer)说，芯片上的加速器技术也可能导致新的癌症放射疗法。再次强调，这是一个规模问题。如今，医用x光机塞满了一间屋子，发射出一束很难聚焦在肿瘤上的射线，要求患者戴上铅罩，以将附带损害降到最低。
“在这篇论文中，我们开始展示如何将电子束辐射直接传送到肿瘤上，而不影响健康组织，”拜尔说。
逆设计
在他们的论文中，Vuckovic和研究生Neil Sapra(第一作者)解释了他们的团队是如何制造出一种芯片，这种芯片可以通过硅发射红外光脉冲，在恰当的时间、恰当的角度撞击电子，使电子前进的速度比以前快一点。
为了实现这一点，他们把设计过程颠倒了过来。在传统的加速器中，比如SLAC的加速器，工程师们通常会起草一个基本的设计，然后运行模拟来实际安排微波爆发以提供最大的加速度。但是，从波峰到波谷的微波只有4英寸，而红外线的波长只有人类头发的十分之一。这种差异解释了为什么红外光可以在如此短的距离内加速电子，而不是微波。但这也意味着，该芯片的物理特性必须比传统加速器中的铜结构小10万倍。这就需要一种基于硅集成光子学和光刻技术的工程新方法。
Vuckovic的团队使用她的实验室开发的反设计算法解决了这个问题。这些算法允许研究人员逆向工作，具体说明他们希望芯片传递多少光能，并为软件设置任务，建议如何构建合适的纳米尺度结构，使光子与电子流进行适当的接触。
“有时候，逆向设计可以产生人类工程师可能想不到的解决方案，”SLAC的科学家、《科学》杂志这篇论文的合著者r·乔尔·英格兰(R. Joel England)说。
设计算法提出了一个芯片布局，看起来几乎是超凡脱俗的。想象一下纳米尺度的台地，由一个通道隔开，由硅蚀刻而成。电子在通道中流动，就像一根由硅线组成的绳索，在重要位置穿过峡谷壁。每一次激光脉冲——每秒10万次——一束光子撞击一堆电子，使它们加速前进。所有这些都发生在不到一根头发丝那么宽的地方，在一个真空封装的硅片表面，由斯坦福大学的团队成员制造。
研究人员希望将电子加速到光速的94%，即100万电子伏特(1MeV)，从而创造出一种足以用于研究或医疗目的的强大粒子流。这种原型芯片只提供了一个加速阶段，电子流必须通过大约1000个这样的阶段才能达到1MeV。但这并不像看起来那么可怕，Vuckovic说，因为这个芯片上的加速器原型是一个完全集成的电路。这意味着所有需要创建加速的关键功能都内置在芯片中，增加它的能力应该是相当简单的。
研究人员计划在2020年底前将1000级加速压缩到大约1英寸的芯片空间，以实现他们的1MeV目标。尽管这将是一个重要的里程碑，但与SLAC研究加速器的能力相比，这种设备的功率仍然相形见绌。但是拜尔相信，就像晶体管最终取代电子学中的真空管一样，基于光的设备总有一天会挑战微波驱动的加速器的能力。
与此同时，该论文的作者之一、电气工程师奥拉夫·索尔加德(Olav Solgaard)已经开始研究一种可能的抗癌应用，他预计将在芯片上开发一台1MeV加速器。今天，高能量的电子不再用于放射治疗，因为它们会灼伤皮肤。索尔加德正在研究一种方法，通过一根导管状的真空管，将芯片大小的加速器中的高能电子导入皮肤下，就在肿瘤旁边，利用粒子束进行外科放射治疗。
索尔加德说:“除了研究应用外，我们还可以从加速器技术的小型化中获得医疗效益。”
Jelena Vuckovic是全球领导力黄延森教授和电气工程教授，也是斯坦福大学Bio-X和吴仔神经科学研究所的成员。Robert Byer是William R. Kenan, Jr.教授，光子科学和应用物理学教授，斯坦福大学Bio-X成员。Olav Solgaard是电气工程教授，斯坦福生物x和吴仔神经科学研究所的成员，Precourt能源研究所和斯坦福森林环境研究所的附属机构。其他的作者有博士后学者杨基佑，德赖斯·维尔克罗伊斯，高级研究工程师肯尼斯·利德，研究生迪伦·布莱克，洛根·苏，拉胡尔·特里维迪和于妙。
作者承认戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持下,Nano -和量子科学与工程博士后奖学金,2020年欧盟地平线研究和创新计划,Kailath研究生奖学金,斯坦福大学纳米共享设施,斯坦福大学的奈米制造设施,美国国家科学基金会和美国能源部。
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