Uluslararası bir işbirliği, çip ölçekli cihazlar oluşturmak için ultra hızlı lazerleri entegre fotoniklerle birleştirmeyi amaçlıyor: Parçacık hızlandırıcılar, modern çağın en önemli bilimsel araçları arasındadır. Higgs bozonunun yakın zamanda keşfedildiği İsviçre’deki 27 km’lik Çevre Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi büyük hızlandırıcı tesisler, bilim adamlarının madde ve enerjinin temel özelliklerini ortaya çıkarmasına olanak tanıyor. Ancak yeni fizik rejimlerini keşfetmek için ihtiyaç duyulan parçacık enerjileri TeV ölçeğine ve ötesine yükseldi ve geleneksel teknolojilere dayalı hızlandırıcı tesisleri aşırı derecede büyük ve maliyetli hale gelmeye başladı. Tıpta ve endüstride kullanılan daha düşük enerjili, daha küçük ölçekli hızlandırıcılar bile genellikle hantal cihazlardır; birkaç ton ağırlığında olabilirler ve milyonlarca dolara mal olabilirler.
Sonuç olarak, daha kompakt, daha ucuz hızlandırıcı teknolojileri geliştirmek için çabalar devam etmektedir. Bir yaklaşım, bir dielektrik lazer hızlandırıcı (DLA), mikroçip ölçekli bir cihazın içindeki elektronlara enerji vermek için ultra hızlı bir IR lazer kullanır.
Son yirmi yılda geliştirilen verimli, ultra hızlı katı hal lazerleri ve yarı iletken üretim yöntemleri, geleneksel mikrodalga boşluklu hızlandırıcılardan bir ila iki kat daha büyük hızlanma alanlarını sürdürebilen yeni bir fotonik cihaz neslini mümkün kılmıştır.
Yaklaşım, parçacık hızlandırıcılarını önemli ölçüde küçültme potansiyeline sahiptir, böylece ultra hızlı masa üstü elektron kırınımı ve mikroskopi deneyleri ve ayarlanabilir x-ışını kaynakları sağlar. Şu anda bir silikon fotonik platformuna entegre edilmiş lazerle çalışan bir hızlandırıcı geliştirmek için uluslararası bir çaba yürütülüyor: “bir çip üzerinde hızlandırıcı”.
Hızlandırıcıların Teknolojik Evrimi
Geleneksel bir parçacık hızlandırıcı, içinden geçen yüklü parçacık demetlerini sürekli olarak hızlandırmak için mikrodalga enerjisiyle çalışan bir dizi metalik boşluk kullanır. Bir okyanus dalgasına binen bir sörfçüye benzer şekilde, hızlandırıcıdaki parçacıklar bir elektromanyetik dalgaya biner ve radyasyonun dalga boyu boyunca bir tepede veya çukurda bulunmalarına bağlı olarak enerji kazanır veya kaybeder; bu, geleneksel olarak 10 cm mertebesindedir.
1960 yılında Hughes Araştırma Laboratuarlarında ilk lazerin gösterilmesinden kısa bir süre sonra, bilim adamları parçacık hızlandırma için yeni fark edilen gücü kullanmanın yollarını tasarlamaya başladılar. Bu fikir çekiciydi, çünkü dalga boyundaki karşılık gelen dört büyüklük sırası -geleneksel mikrodalga hızlandırıcıların RF rejiminden lazerlerin optik rejimine kadar- küçülen hızlandırıcı yapılarının mikron ölçeğine inmesi anlamına geliyordu.
Ancak 1960’larda lazerle çalışan hızlandırıcılar için gerekli teknoloji yoktu. Katı hal lazerlerinin, optik malzemelerin ve nanofabrikasyonun, araştırmacıların bu fikri ciddiyetle takip edebilecekleri noktaya ulaşması birkaç on yıl aldı. Ayrıca metaller, hızlanan alanları şekillendirmek için başlıca adaylardı, ancak çok fazla absorbe ettikleri için gerekli büyük optik güç seviyelerine dayanamıyorlar. Daha sonra, 1990’larda araştırmacılar optik olarak şeffaf dielektrikleri kullanma fikrine sahip oldular. Bu fikir, 2000’li yılların başında Stanford Üniversitesi ve SLAC’da bulunan ve tamamen lazerle çalışan bir parçacık hızlandırıcıyı gerçekleştirmeyi amaçlayan Lazer Elektron Hızlandırma Programının (LEAP) oluşturulmasını sağladı.
LEAP, lazer güdümlü ivmenin ilk gösterilerinden birine yol açtı. Bu şemada, bir lazerin yüksek enerjili bir elektron ışını yolunda bulunan bir malzeme sınırına (ince bir altın folyo) parlatıldığı, ters geçiş radyasyonu etkisi denen bir yöntem kullanıldı.1 Lazerin elektrik alanı sınırda sona erdi. yarım döngüde, böylece kesik lazer alanı parçacıklara hızlanan bir “tekme” verdi. Bununla birlikte, prensip kanıtı deneyindeki etkileşim mesafesi, bir optik çevrimin yarısı ile veya 1 Mikrometreden az ile sınırlandırılmıştır.
Kaynak: Physics Today’den derlenmiştir.
İleri Okuma: physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4815
