水晶デバイスは微粒子加速器の構築に使用できる可能性がある

チップサイズのデバイスは非常に強い光を生成することができ、小型の X 線装置や粒子加速器の構築に役立つ可能性があります。

カルメラ・パダヴィッチ・キャラハン著

2023 年 1 月 4 日

光を閉じ込めて方向付けることができる材料であるフォトニック結晶の図

J.ジョアノプルス/サイエンスフォトライブラリー

結晶のスラブ上に電子ビームを発射して光を生成するマイクロメートルサイズのデバイスは、小型粒子加速器や X 線装置の構築に使用できる可能性があります。このようなチップサイズの装置は、現在の粒子加速器よりも迅速、安価、コンパクトに製造できる可能性がある。

香港大学のイー・ヤン氏とマサチューセッツ工科大学の同僚によって構築されたこの新しいデバイスは、フォトニック結晶と呼ばれる特殊なシリコン片、その上に電子ビームを照射する改良型走査型電子顕微鏡、および発せられた光を検出する装置。このセットアップでは、電子が移動するときに周囲の電磁場を利用し、近くの物質 (この場合はフォトニック結晶) 内の荷電粒子が励起されて光を放出します。

研究者らは数学的モデルから、結晶にパターンを追加することで結晶と電子の間の相互作用を強化できることを知っていたため、幅約100ナノメートルの円形のくぼみの格子を結晶にエッチングした。光と電子は通常、あまり相互作用しませんが、光のエネルギーと運動量を電子のエネルギーと一致するように設計すると、両者の間に異常に大きな相互作用が可能になります。このマッチング方法により、最終的には発光を最大 100 万倍強化できる可能性があるとヤン氏は述べています。

その光には、科学者がさまざまな材料の内部構造を学ぶのに役立つ分光学から、光ベースのコミュニケーションまで、多くの潜在的な用途があります。

特に、これは小さな粒子加速器の製造に使用できると、ドイツのエアランゲン・ニュルンベルク大学のピーター・ホメルホフ氏は述べています。研究者らは、一般的に行われているように、マイクロ波を粒子に当てる代わりに、強力な光パルスを使って粒子を加速することもできるだろうと彼は言う。

英国のヨーク大学のトーマス・クラウス氏は、この新しい装置は小型粒子加速器への一歩となるだけでなく、より小型のX線装置への一歩となる可能性があると述べている。 X線は本質的に、波長が短すぎて私たちには見えない光波です。デバイス内のシリコンのパターンと電子の速度を調整することで、放出される光の波長を X 線に変えることができる可能性があります。

「医師のところでレントゲン検査を受けると、それは巨大な機械のようなものです。今では、チップ上の小さな光源を使ってそれを行うことを想像できます」と彼は言います。これにより、小規模または遠隔の医療施設にとって X 線技術が利用しやすくなったり、事故時の初期対応者が使用できるように持ち運び可能になったりする可能性があります。

自然DOI: 10.1038/s41586-022-05387-5

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