Esta imagen, ampliada 25.000 veces, muestra una sección de un acelerador en un chip de silicio. Las estructuras grises enfocan la luz láser infrarroja (mostrada en amarillo y morado) en los electrones que fluyen a través del canal central. Imagen: cortesía de Neil Sapra.
Investigadores de la Universidad de Stanford en Estados Unidos han creado un acelerador de partículas impulsado por láser que cabe en un microchip de solo unos milímetros cuadrados.
La aceleración que consigue este prototipo es mucho menor de la que obtienen aceleradores como el del CERN, el más grande del mundo con un túnel de 27 kilómetros de circunferencia.
Sin embargo, obtiene partículas suficientemente energizadas que podrían usarse para aplicaciones en química, ciencia de materiales y biología, según sus creadores.
Obteniendo partículas
Los aceleradores de partículas utilizan microondas para acelerar partículas a altas velocidades y hacerlas colisionar con otras partículas.
De estas colisiones surgen nuevas partículas muy inestables, que duran menos de un segundo, que sirven a los científicos para conocer más a fondo los procesos que forman y desintegran la materia.
Conseguir esta proeza tecnológica en un microchip es todo un logro que potenciará la investigación científica, ya que permitirá acelerar partículas y conocer los procesos básicos de la materia sin las grandes inversiones que requieren instalaciones como el Acelerador Relativista de Iones Pesados (RHIC) de Nueva York, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra, o el Tevatrón, el acelerador de partículas circular del Fermilab ubicado en Batavia, Illinois (Estados Unidos).
"Los aceleradores más grandes son como telescopios potentes", explica en un comunicado la ingeniera eléctrica Jelena Vuckovic de la Universidad de Stanford .
“Solo hay unos pocos en el mundo y los científicos deben venir a lugares como SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) para usarlos. Queremos miniaturizar la tecnología del acelerador de manera que sea una herramienta de investigación más accesible", añade Vuckovic.
El SLAC tiene 3,2 kilómetros de largo y es capaz de proporcionar 50 GeV (gigaelectronvoltios) a los electrones y positrones que acelera al aproximarlos a la velocidad de la luz, gracias a ráfagas de radiación de microondas.
Chipaccelerator
El chip acelerador de partículas se consiguió tallando en su interior un canal de silicio que fue sellado al vacío. Ese canal se utilizó para enviar electrones acelerados por pulsos laser de luz infrarroja, transmitidos por las paredes del canal.
La tecnología se basa en láseres porque producen ondas electromagnéticas con longitudes de onda mucho más cortas que las microondas usadas por los grandes aceleradores, lo que permite acelerar los electrones en un espacio mucho más pequeño.
El hecho de que sea de silicio contribuye a la precisión de los impulsos láser y a que todo encaje dentro del chip, destaca Scientific American.
La aceleración que consigue este prototipo es mucho menor de la que obtienen aceleradores como el del CERN, el más grande del mundo con un túnel de 27 kilómetros de circunferencia.
Sin embargo, obtiene partículas suficientemente energizadas que podrían usarse para aplicaciones en química, ciencia de materiales y biología, según sus creadores.
Obteniendo partículas
Los aceleradores de partículas utilizan microondas para acelerar partículas a altas velocidades y hacerlas colisionar con otras partículas.
De estas colisiones surgen nuevas partículas muy inestables, que duran menos de un segundo, que sirven a los científicos para conocer más a fondo los procesos que forman y desintegran la materia.
Conseguir esta proeza tecnológica en un microchip es todo un logro que potenciará la investigación científica, ya que permitirá acelerar partículas y conocer los procesos básicos de la materia sin las grandes inversiones que requieren instalaciones como el Acelerador Relativista de Iones Pesados (RHIC) de Nueva York, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra, o el Tevatrón, el acelerador de partículas circular del Fermilab ubicado en Batavia, Illinois (Estados Unidos).
"Los aceleradores más grandes son como telescopios potentes", explica en un comunicado la ingeniera eléctrica Jelena Vuckovic de la Universidad de Stanford .
“Solo hay unos pocos en el mundo y los científicos deben venir a lugares como SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) para usarlos. Queremos miniaturizar la tecnología del acelerador de manera que sea una herramienta de investigación más accesible", añade Vuckovic.
El SLAC tiene 3,2 kilómetros de largo y es capaz de proporcionar 50 GeV (gigaelectronvoltios) a los electrones y positrones que acelera al aproximarlos a la velocidad de la luz, gracias a ráfagas de radiación de microondas.
Chipaccelerator
El chip acelerador de partículas se consiguió tallando en su interior un canal de silicio que fue sellado al vacío. Ese canal se utilizó para enviar electrones acelerados por pulsos laser de luz infrarroja, transmitidos por las paredes del canal.
La tecnología se basa en láseres porque producen ondas electromagnéticas con longitudes de onda mucho más cortas que las microondas usadas por los grandes aceleradores, lo que permite acelerar los electrones en un espacio mucho más pequeño.
El hecho de que sea de silicio contribuye a la precisión de los impulsos láser y a que todo encaje dentro del chip, destaca Scientific American.
Prototipo escalable
Este minúsculo acelerador es solo un prototipo que opera a una fracción de la velocidad que consigue el acelerador más grande del mundo, pero Vuckovic explica que sus técnicas de diseño y fabricación se pueden ampliar para obtener haces de partículas suficientemente aceleradas para realizar experimentos de vanguardia en química, ciencia de los materiales y descubrimientos biológicos, que no requieren la potencia de un acelerador masivo.
Lo que han conseguido de momento estos investigadores es que las partículas alcancen el 94% de la velocidad de la luz después de pasar a través del chip unas 1.000 veces, pero se proponen conseguir este resultado sin necesidad de estos tránsitos, introduciendo en el chip 1.000 nuevos canales a través de los cuales puedan acelerarse los electrones.
Consideran que el prototipo es un circuito totalmente integrado que permite aumentar sus capacidades porque el láser está grabado en silicio, lo que hace suponer a los investigadores que puede terminar alcanzando un haz con tanta energía como el SLAC y evitar que muchos científicos se desplacen al acelerador de Stanford para estudiar la materia.
Aplicaciones contra el cáncer
Los investigadores señalan que esta tecnología no solo servirá para conocer mejor los entresijos de la materia en sus primeros niveles de existencia, sino también para conseguir resultados médicos relativamente pronto.
De hecho, Olav Solgaard, otro de los autores de esta investigación, está desarrollando una aplicación que utiliza la tecnología para combatir el cáncer.
En la actualidad, los tratamientos con radioterapia que usan altas dosis de radiación para destruir células cancerosas y reducir tumores, no pueden usar electrones altamente energizados porque quemarían la piel.
Sin embargo, el acelerador introducido en un microchip puede resolver esta limitación, ya que puede insertarse en la piel y desarrollar un tratamiento con electrones energizados sin dañar la piel.
Este minúsculo acelerador es solo un prototipo que opera a una fracción de la velocidad que consigue el acelerador más grande del mundo, pero Vuckovic explica que sus técnicas de diseño y fabricación se pueden ampliar para obtener haces de partículas suficientemente aceleradas para realizar experimentos de vanguardia en química, ciencia de los materiales y descubrimientos biológicos, que no requieren la potencia de un acelerador masivo.
Lo que han conseguido de momento estos investigadores es que las partículas alcancen el 94% de la velocidad de la luz después de pasar a través del chip unas 1.000 veces, pero se proponen conseguir este resultado sin necesidad de estos tránsitos, introduciendo en el chip 1.000 nuevos canales a través de los cuales puedan acelerarse los electrones.
Consideran que el prototipo es un circuito totalmente integrado que permite aumentar sus capacidades porque el láser está grabado en silicio, lo que hace suponer a los investigadores que puede terminar alcanzando un haz con tanta energía como el SLAC y evitar que muchos científicos se desplacen al acelerador de Stanford para estudiar la materia.
Aplicaciones contra el cáncer
Los investigadores señalan que esta tecnología no solo servirá para conocer mejor los entresijos de la materia en sus primeros niveles de existencia, sino también para conseguir resultados médicos relativamente pronto.
De hecho, Olav Solgaard, otro de los autores de esta investigación, está desarrollando una aplicación que utiliza la tecnología para combatir el cáncer.
En la actualidad, los tratamientos con radioterapia que usan altas dosis de radiación para destruir células cancerosas y reducir tumores, no pueden usar electrones altamente energizados porque quemarían la piel.
Sin embargo, el acelerador introducido en un microchip puede resolver esta limitación, ya que puede insertarse en la piel y desarrollar un tratamiento con electrones energizados sin dañar la piel.
Referencia
On-chip integrated laser-driven particle accelerator. Neil V. Sapra1 et al. Science 03 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6473, pp. 79-83. DOI: 10.1126/science.aay5734
On-chip integrated laser-driven particle accelerator. Neil V. Sapra1 et al. Science 03 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6473, pp. 79-83. DOI: 10.1126/science.aay5734