Urychlovač částic na čipu. Kredit: Hagen Schmidt / Andrew Ceballos.

Ještě před pár lety by to znělo šíleně. Urychlovače jsou přece obrovské a mocné stroje v kilometrových podzemních tunelech, které pohání veliké množství energie. Jenomže teď je rok 2018. Americký robotický geolog InSight právě přistál na Marsu, všechna čest, a urychlovače se smrskávají do naprosto neuvěřitelně miniaturních rozměrů.

Inženýři německé techniky TU Darmstadt vyvinuli design pro laserový urychlovač elektronů, který je tak maličký, že ho lze zabudovat do křemíkového čipu. Takový nanourychlovač by měl být levný a všestranně využitelný. Uwe Niedermayer a jeho kolegové svůj převratný design urychlovačů publikovali v časopisu Physical Review Letters.

Uwe Niedermayer. Kredit: TU Darmstadt.

Všichni známe urychlovače částic, které jsou veliké a velice drahé. Jak to ale vypadá, brzo by se to mohlo změnit. Záměrem programu AChIP (Accelerator on a Chip International Program), který financuje americká nadace Gordon and Betty Moore Foundation, je vyvinout urychlovač elektronů pro elektronické čipy. Hlavní myšlenka takového nápadu spočívá v tom, že miniaturní urychlovač nahrazuje kovové součástí sklem či křemíkem a jako zdroj energie nevyužívá generátor mikrovln ale laser. Skleněná konstrukce přináší technologické výhody, díky nimž je možné urychlovač podstatně zmenšit.

Jednou z velkých výzev konstrukce urychlovače na čipu bylo, že vakuový tunel pro elektrony je u takového urychlovače velice malý. Z toho plyne, že paprsek elektronů takového urychlovače musí být velmi přesně zacílen. Technologie používané klasickými urychlovači k zaostření paprsku elektronů částic nejsou pro urychlovače na čipu vhodné, takže bylo nutné vyvinout zcela nový postup. Niedermayer a spol. použili k zaostření paprsku elektronů lasery a s jejich pomocí dokázali soustředit paprsek elektronů do kanálku, jehož průměr činí pouhých 420 nanometrů. Jako zdroj laserových paprsků přitom využili komerčně dostupný laserový systém.

Technische Universität Darmstadt

Cílem programu AChIP, financovaného do roku 2020, je postavit urychlovač na čipu, který bude vyrábět elektrony o energii 1 megaelektronvoltu. Dalším cílem programu je zvládnout ultrakrátké pulzy elektronů, které budou femtosekundové a kratší.

K čemu budou dobré urychlovače částic na čipu? Každodenní uplatnění by měly nalézt v medicíně nebo třeba v průmyslu. Čip s urychlovačem částic by se mohl stát součástí endoskopů, které budou mít vlastní zdroj rentgenového záření pro ozařování nádorů hluboko uvnitř lidského těla. Mohly by se také prosadit v polovodičovém průmyslu, při výrobě pokročilé elektroniky. Čipy s urychlovači částic by mělo být možné vyrábět levně a ve velkém. Časem by nějaký ten urychlovač částic mohl mít úplně každý. 

Literatura
Technische Universitat Darmstadt 26. 11. 2018, Physical Review Letters 121: 214801.