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相干纳米光子电子加速器。

Coherent nanophotonic electron accelerator.

机构信息

Physics Department, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Erlangen, Germany.

Institute of Applied Physics, Hebrew University of Jerusalem (HUJI), Jerusalem, Israel.

出版信息

Nature. 2023 Oct;622(7983):476-480. doi: 10.1038/s41586-023-06602-7. Epub 2023 Oct 18.

DOI:10.1038/s41586-023-06602-7
PMID:37853151
Abstract

Particle accelerators are essential tools in a variety of areas of industry, science and medicine. Typically, the footprint of these machines starts at a few square metres for medical applications and reaches the size of large research centres. Acceleration of electrons with the help of laser light inside of a photonic nanostructure represents a microscopic alternative with potentially orders-of-magnitude decrease in cost and size. Despite large efforts in research on dielectric laser acceleration, including complex electron phase space control with optical forces, noteworthy energy gains have not been shown so far. Here we demonstrate a scalable nanophotonic electron accelerator that coherently combines particle acceleration and transverse beam confinement, and accelerates and guides electrons over a considerable distance of 500 μm in a just 225-nm-wide channel. We observe a maximum coherent energy gain of 12.3 keV, equalling a substantial 43% energy increase of the initial 28.4 keV to 40.7 keV. We expect this work to lead directly to the advent of nanophotonic accelerators offering high acceleration gradients up to the GeV m range utilizing high-damage-threshold dielectric materials at minimal size requirements. These on-chip particle accelerators will enable transformative applications in medicine, industry, materials research and science.

摘要

粒子加速器是工业、科学和医学领域的重要工具。通常,这些机器的占地面积从几平方米开始,适用于医疗应用,最大可达大型研究中心的规模。在光子纳米结构中利用激光光加速电子是一种微观替代方案,有望在成本和尺寸上大幅降低。尽管在包括利用光力进行复杂电子相空间控制在内的介电激光加速研究方面做出了巨大努力,但迄今为止尚未显示出显著的能量增益。在这里,我们展示了一种可扩展的纳米光子电子加速器,它将粒子加速和横向束限制相干地结合在一起,并在仅 225nm 宽的通道中加速和引导电子超过 500μm 的相当长距离。我们观察到最大的相干能量增益为 12.3keV,相当于初始 28.4keV 到 40.7keV 的 43%的大幅能量增加。我们预计这项工作将直接导致纳米光子加速器的出现,这些加速器利用高损伤阈值介电材料,在最小的尺寸要求下提供高达 GeV m 范围的高加速梯度。这些片上粒子加速器将在医学、工业、材料研究和科学领域带来变革性的应用。

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