En un avance que podría reducir drásticamente los aceleradores de partículas para la ciencia y la medicina, científicos estadounidenses han utilizado un láser para acelerar los electrones a una velocidad 10 veces mayor que la que consigue la tecnología convencional, en un chip de vidrio nanoestructurado más pequeño que un grano de arroz.
El logro se publicó la semana pasada en la revista Nature, y es obra de un equipo de investigadores que incluye a científicos del Laboratorio del Acelerador SLAC (del departamento de Energía estadounidense) y de la Universidad de Stanford.
Aceleradores «de escritorio»
«Todavía tenemos una serie de desafíos que superar para que esta tecnología llegue al mundo real, pero con el tiempo se reduciría sustancialmente el tamaño y el coste de los futuros colisionadores de partículas de alta energía para explorar el mundo de las partículas y fuerzas fundamentales», explica Joel England, el físico de SLAC que dirigió los experimentos, en la nota de prensa de SLAC. «También podría ayudar a crear aceleradores y dispositivos de rayos X compactos para la seguridad, tratamientos e imágenes médicas, y la investigación en biología y la ciencia de los materiales».
Debido a que emplea láseres comerciales y técnicas de producción en masa a bajo coste, los investigadores creen que pondrá las bases para las nuevas generaciones de aceleradores «de escritorio». En su máximo potencial, el nuevo «acelerador en un chip» puede igualar el poder de aceleración del acelerador lineal de 2 kilómetros de largo de SLAC en sólo 30 metros, y emitir un millón más de pulsos de electrones por segundo.
Esta demostración inicial logró un gradiente de aceleración, o cantidad de energía ganada por unidad de longitud, de 300 millones de electrón-voltios por metro. Eso es aproximadamente 10 veces la aceleración proporcionada por el actual acelerador lineal SLAC .
«Nuestro objetivo final para esta estructura es de mil millones de electronvoltios por metro, y ya hemos recorrido un tercio del camino con nuestra primera experiencia», señala el profesor de Stanford Robert Byer, investigador principal de este estudio.
Los aceleradores actuales utilizan microondas para aumentar la energía de los electrones. Los investigadores han estado buscando alternativas más económicas, y esta nueva técnica, que utiliza láseres ultrarrápidos para accionar el acelerador, es la principal candidata.
Las partículas se aceleran generalmente en dos etapas. Primero alcanzan casi la velocidad de la luz. Entonces, cualquier aceleración adicional aumenta su energía, pero no su velocidad; esa es la parte difícil.
En los experimentos del acelerador-en-un-chip, los electrones son acelerados primero hasta cerca de velocidad de la luz en un acelerador convencional. A continuación, son enfocados hacia un canal pequeño, de media micra, dentro de un chip de vidrio de cuarzo de apenas medio milímetro de largo.
El canal había sido modelada con rugosidades nanométricas espaciadas con precisión. La luz láser infrarrojo que brilla en el patrón genera campos eléctricos que interaccionan con los electrones en el canal para aumentar su energía.
Transformar el acelerador-en-un-chip en un acelerador de sobremesa en toda regla requerirá una manera más compacta de conseguir que los electrones alcancen la velocidad deseada antes de entrar en el dispositivo.
Un grupo de investigación de Alemania que colabora en el proyecto, dirigido por Peter Hommelhoff de la Universidad Friedrich Alexander y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, ha estado buscando una solución. En un artículo publicado de forma simultánea en la revista Physical Review Letters explican su éxito en la utilización de un láser para acelerar los electrones de baja energía .
Las aplicaciones de estos nuevos aceleradores de partículas irían mucho más allá de la investigación en física de partículas. Byer dijo que los aceleradores láser podrían conducir láseres de electrones libres y rayos X, comparables a la fuente coherente de luz Linac, de SLAC, que son herramientas de uso general para una amplia gama de investigaciones .
Otra aplicación posible es obtener fuentes de rayos X portátiles y pequeñas para mejorar la atención médica de los heridos en combate, así como para proporcionar imágenes médicas más asequibles para hospitales y laboratorios. La DARPA, la agencia de investigación de la Defensa estadounidense, ha financiado parte de la investigación.
Referencias bibliográficas:
E. A. Peralta, K. Soong, R. J. England, E. R. Colby, Z. Wu, B. Montazeri, C. McGuinness, J. McNeur, K. J. Leedle, D. Walz, E. B. Sozer, B. Cowan, B. Schwartz, G. Travish, R. L. Byer. Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure. Natureb(2013). DOI: 10.1038/nature12664
John Breuer y Peter Hommelhoff: Laser-Based Acceleration of Nonrelativistic Electrons at a Dielectric Structure. Phys. Rev. Lett. (2013).