Útroby urychlovače na čipu. Zvětšeno 25 tisíckrát. Kredit: Neil Sapra / Stanford University.

Urychlovače částic dovedou úžasné věci. Mohly by se uplatnit v mnoha odvětvích. Obzvláště užitečné by mohly být v medicíně, kde by dozajista zachraňovaly spoustu životů. Kdyby nebyly tak nezřízeně velké. Lineární urychlovač Stanford Linear Accelerator v amerických laboratořích SLAC National Accelerator Laboratory měří asi 3,2 kilometru, zatímco legendární srážeč Large Hadron Collider v evropském CERNu zahrnuje prstenec o obvodu 27 kilometrů. Ve Stanfordu se s tím nehodlají smířit a rozhodli se zmenšit urychlovač na počítačový čip. Takové mikrourychlovače bude možné využit třeba v extrémně přesné léčbě nádorů.

V běžných urychlovačích částice proudí trubicemi s vakuem, v nichž jsou urychlovány na téměř neuvěřitelné rychlosti a energie. Stanford Linear Accelerator urychluje pomocí mikrovln, zatímco na LHC používají impulzy alektrického pole a supravodivé elektromagnety. K takovým technologickým kouzlům je nutné masivní vybavení, které by bylo velmi obtížně zmenšovat tak, aby se vešlo do běžné nemocnice nebo standardní laboratoře. V posledních letech se ale urychlovače postupně zmenšují.

Jelena Vuckovic. Kredit: Stanford University.

Jelena Vuckovic a její spolupracovníci postavili urychlovač, který sice není ani zdaleka tak výkonný jako SLAC nebo LHC, ale zase se vejde na počítačový čip. Něco takového chtělo zcela nový design urychlovače. V urychlovači na čipu proudí elektrony kanálkem, v němž je vakuum. Je asi jenom 30 mikrometrů dlouhý a tenčí než lidský vlas. Nespoléhá na mikrovlny ani elektrická pole, ale urychluje elektrony infračerveným laserem. Ten buší do čipu 100 tisíckrát za sekundu a při každém pulzu vysílá fotony, které zasahují elektrony a urychlují je správným směrem.

Urychlovač na čipu je v současné době pouhým prototypem, který zatím není vhodný k praktickému využití. Ukazuje ale, že tahle technologie funguje. Prozatím dokáže urychlit elektrony na 0,915 keV, což je asi tak tisíckrát méně, než by bylo potřeba pro medicínské aplikace anebo pro výzkum.

Stanford Linear Accelerator. Kredit: Peter Kaminski / US Geological Survey.

Vuckovicová a spol. intenzivně dělají na tom, aby vytvořili mikrourychlovač, který urychlí elektrony na 1 MeV, čili asi tisíckrát víc, než jejich současný prototyp. Dělají to prý poměrně jednoduše. Prostě jenom namnoží zmíněný kanálek tisíckrát. Vzhledem k jeho nanicovaté velikosti se i potom vejde na počítačový čip o délce 2,5 centimetru.

Pokud jde o využití takové technologie, tvůrci urychlovače na čipu spoléhají na to, že by se mohl uplatnit v cílených terapiích komplikovaných nádorů. Teoreticky je možné takový urychlovač namířit přímo na nádor, a pak do něj pálit jeden nažhavený elektron za druhým, aniž by přitom došlo k poškození okolních zdravých tkáních. Držme jim palce, mikrourychlovače by mohly být velmi užitečné a také velice cool.

Video: Jelena Vuckovic, Optimized Photonics - From Efficient Computing to Quantum Processors, Samsung Forum


Literatura
Stanford News 2. 1. 2020, Science 367: 79–83.