放大25000倍的芯片加速器原型机局部图。
在美国斯坦福大学的SLAC国家加速器实验室中，有一台将近2英里长的科学仪器。在这个庞然大物中，一连串电子流过真空管道，微波辐射推动它们加速至接近光速，进而为科学家们创造出强大的光探针，以探索材料的原子和分子结构。
据1月3日出版的《科学》杂志报道，斯坦福大学和SLAC的科学家们已成功制造了一种可加速电子的硅芯片，其宽度虽不及头发直径，但能耐却不小。电气工程师Jelena Vuckovic等在文中介绍了他们在硅芯片中“雕刻”纳米通道、真空封装以及用红外脉冲光运送电子通过纳米腔等过程。Vuckovic表示，虽然他们展示的芯片加速器只是一个原型机，但它的设计理念和制造工艺具有足够的可扩展性，有望帮助科学家们脱离大型加速器的巨大功耗进行化学、材料科学和生物学领域的前沿实验。Vuckovic说：“全球范围内，巨型加速器的数量屈指可数。科学家们必须到类似SLAC这样的地方才能使用它们。我们希望将加速器小型化，使其成为更便捷的研究工具。”
研究人员将加速器小型化的尝试与计算机的微型化进行了类比：虽然计算机的尺寸变小了，但功能却更强大了。论文作者、物理学家Robert Byer认为，芯片级加速器有望促成新的癌症放射疗法。如今，一台医用X光机几乎会塞满房间，发射出的射线难以聚焦到病灶部位，患者只能穿戴厚重的铅服才能将附加伤害降到最低。Byer说：“在论文中，我们展示了如何将电子束辐射直接辐照至肿瘤，而不影响其他健康组织。”
工程师们在制造传统加速器时，会先进行基本设计，然后用模拟实验确定提供最大加速度的微波爆发。Vuckovic等使用反设计算法颠覆了传统观点。这种算法允许研究人员逆向设计，以芯片传递光能期望值构建合适的纳米尺度结构，使光子能在恰当的时间、以恰当的角度撞击电子，使其加速。论文作者、SLAC科学家R. Joel England说：“有时候，逆向设计可以促成意想不到的解决方案。”
研究人员希望能将电子加速到光速的94%，从而创造出适用于研究与医疗目的的强大粒子流。虽然原型芯片还只能提供大约千分之一的加速阶段，但问题并不像看起来那么严重。Vuckovic解释说：“芯片加速器原型机是一个完全集成的电路。所有与加速有关的关键功能都已经内置在芯片中。要提升它的性能并非难事。”研究人员计划在2020年年底之前将千级加速流程压缩至1英寸的芯片空间内。尽管这已经非常了不起，但与SLAC的巨型加速器相比，芯片加速器的功率仍然相形见绌。Byer对芯片加速器充满信心，他说：“就像晶体管最终取代了真空管，光基设备终将具备挑战微波驱动加速器的能力。”
此外，论文作者、电气工程师Olav Solgaard已经开始研究医用1MeV芯片加速器。目前，高能电子已不适应放射治疗，它对患者的皮肤伤害太大。Solgaard希望利用导管状真空管，将芯片加速器中的高能电子导入皮肤层下的肿瘤附近，用粒子束进行外科放射治疗。Solgaard说：“除研究外，我们还可从小型加速器中获得极高的医疗效益。”
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编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
https://phys.org/news/2020-01-particle-chip.html
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