中國公眾接觸并了解粒子加速器，或許要感謝楊振寧與丘成桐關于“中國現在是否需要大型粒子加速器”的持久辯論。

　　最早科學家發現，把粒子加速到接近光速，再讓它們對撞，就可以獲取到大量微觀粒子。而基于加速器的粒子物理研究，引領了對物質根本結構的研究。而楊振寧反對是因為，他認為大型對撞機的建設就好比 “軍備競賽” 一樣，設備需要一步步升級，投入的資金也要越來越多，并且維護設備也需要巨額的費用。

　　同時，楊振寧也表示，不建超大對撞機，高能物理仍然有其他方向值得探索。

　　當中國陷于是否要上馬更大型的超級對撞機爭議之時，美國有研究團隊在探索另一條路，并在加速器技術小型化的相關研究中取得初步成果。

　　今天，斯坦福大學的研究團隊在 Science 雜志上展示了一種由硅芯片構建的加速器原型。就好比讓一臺普通臺式計算機獲得了一個塞滿房間的大型主機的功能一般，研究人員將巨大的粒子加速器的部分功能封裝在了硅芯片上。

　　這項研究出自 SLAC 國家加速器實驗室，其位于斯坦福大學校園旁的山坡上，是美國能源部下屬的國家實驗室，由斯坦福大學運行管理。這里運行著約 3 公里長的科學儀器，在這樣巨大的加速器中，一連串的電子流過真空管道，隨著微波輻射的爆發將粒子向前推動得越來越快，直到它們的速度接近光速，從而產生一個強大的光束。來自世界各地的科學家們都在用它來探測無機生物材料的原子和分子結構。

SLAC 國家加速器實驗室航拍圖（來源：Wiki）

　　現在，斯坦福大學和 SLAC 的科學家們首次創建了一種可以加速電子的硅芯片，盡管速度僅是那種大型加速儀器的一小部分，但芯片的體積也只有傳統加速裝置結構大小的十萬分之一，其中含有許多納米真空通道，當粒子在其中通過時，會由紅外激光而不是傳統的微波來增能加速。

　　因為紅外激光的波長比微波更短，所以可以在極短（不及頭發粗細）的范圍內加速電子。目前，斯坦福大學的研究團隊計劃利用該芯片將電子加速至光速的 94%。研究團隊的負責人、斯坦福大學電氣工程學教授 Jelena Vuckovic 在 1 月 3 日的 Science 雜志上解釋了他們如何在硅上雕刻出納米級通道，將其密封在真空中，并通過該腔體發射出紅外光脈沖。

　　Jelena Vuckovic 對媒體表示：“這個片上加速器只是一個原型，這種設計和制造技術可以擴大規模，以提供足夠加速的粒子束，用以進行化學、材料科學和生物學發現等方面的前沿實驗，而無須借助大型加速器的力量。”這樣一來，就可以避免很多 “高射炮打蚊子” 的尷尬。

放大了 2.5 萬倍的圖像顯示了芯片上的加速器的一部分，灰色結構將紅外激光（黃色和紫色）聚焦在流經中心通道的電子上（來源：Courtesy Neil Sapra）

　　一、逆向思維帶來成功設計

　　論文的第一作者、研究生 Neil Sapra 在論文中解釋了他們的團隊如何讓芯片可以通過硅發射紅外光脈沖，并在恰當的時間、以恰當的角度撞擊電子，推動電子不斷加速。

　　為了實現這一點，他們顛倒了設計過程。在傳統加速器中，比如 SLAC 的加速器，工程師們通常會草擬一個基本的設計，然后運行仿真模擬，用物理的方式來安排微波爆發，以提供最大的加速度。但是，使用的微波在波長 4 英寸左右（約 10 厘米），而紅外線的波長卻只有人頭發的十分之一。

　　這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外光可以在如此短的距離內加速電子。不過這也意味著，該芯片的大小必須是傳統加速器結構的十萬分之一。而這就需要一種基于硅集成光子學和光刻技術的工程新方法。

　　研究人員使用 Jelena Vuckovic 實驗室開發出的 “逆設計算法” 解決了該問題。這種算法允許研究人員逆向工作，可以先具體指定他們希望芯片傳遞多少光能，并為軟件設置任務分配；再建議如何構建合適的納米尺度結構，來使光子與電子流進行適當的接觸。

研究領導者、斯坦福大學黃仁勛全球領導力教授、電氣工程學教授 Jelena Vuckovic （來源：stanford.edu）

　　“有時候，逆設計可以給工程師們提出此前可能想不到的解決方案。” SLAC 國家加速器實驗室的科學家、論文的合著者 R. Joel England 說道。

　　逆設計算法提出了一個看起來完全超乎想象的芯片布局。

　　想象一下，一個由硅蝕刻出的、被通道隔開的納米臺面。電子在通道中流動，就像一根由硅線組成的繩索，在溝壑縱橫的峽谷上穿過。每次激光脈沖（100,000 次 / 秒）都會使一束光子擊中一堆電子，使它們向前加速。而所有這些事情，都發生在一個比頭發還細的范圍下。

　　二、有望帶來新的癌癥放射療法

　　Vuckovic 表示：“最大的粒子加速器就和功能強大的天文望遠鏡一樣，世界上只有少數幾個，科學家們必須到像 SLAC 國家加速器實驗室這樣的地方來使用它們。而我們希望能以一種易于使用的工具方式來使加速器技術小型化。”

　　因此，團隊成員把他們的方法類比為將大型計算主機發展為較小但仍然有用的臺式計算機的過程。

　　論文的合著者、物理學家 Robert Byer 說：“片上加速器的技術也可能帶來新的癌癥放射療法。因為這也涉及一個大小尺寸問題。如今，醫用 X 射線儀器占據了整個房間并發出難以聚焦在腫瘤上的輻射束，需要患者佩戴鉛罩來最大程度地減少附帶損害。”

　　“在這篇論文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳送到腫瘤，而不影響健康組織。” 他補充道。Robert Byer 也是 “芯片上加速器國際計劃（AChIP）” 的領導者，該計劃專注于打造硅基電子加速器。這項多學科、多機構合作的計劃，目標是在芯片上生成具有 1 MeV 能量的電子脈沖，產生飛秒到阿秒（1x10−15 秒到 1x10−18 秒）的脈沖。

　　研究人員希望將電子加速到光速的 94％，即一百萬電子伏（1 MeV），這樣能產生足以用于研究或醫學目的的粒子流。目前，該原型芯片僅能提供單級加速，且電子流需要通過大約 1,000 個這樣的 “單級” 才可能達到 1 MeV。

來源：Pixabay

　　但 Vuckovic 對此表示，這并不會讓人望而生畏，因為該原型片上的加速器是一個完整的集成電路。這意味著創建加速所需的所有關鍵功能都直接內置在芯片中，因此增加相應的功能應該并不困難。

　　他們計劃在 2020 年年底之前，在大約一英寸的芯片空間中封裝出 1000 個加速階段，以達到 1 MeV 的目標。如果成功，這將會是一個重要的里程碑，但這種設備的功率仍無法與 SLAC 研究加速器的功能相提并論。因為后者可產生比 1 MeV 高 3 萬倍的能量。

　　Byer 認為，就像晶體管最終取代電子設備中的真空管一樣，基于光的設備終將有一天會挑戰微波驅動加速器的功能。

　　同時，由于期望在芯片上開發 1 MeV 加速器，論文的合著者之一、電氣工程師 Olav Solgaard 已經開始著手研究潛在的抗癌應用。目前，高能電子因會灼傷皮膚，并沒有用于放射治療。Solgaard 正在研究一種方法，試圖通過使用粒子束像外科手術一樣進行放射療法。

　　“或可將來自芯片大小加速器的高能電子通過導管狀真空管的引導，插入皮膚下方，直達腫瘤旁邊。” Solgaard 說，“除了研究應用之外，我們還可以從加速器技術的小型化中獲得醫學利益。”

總結

以上是生活随笔為你收集整理的芯片上的粒子加速器问世！斯坦福团队：有望用以精准轰击肿瘤的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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