Các nhà khoa học chế tạo được máy gia tốc hạt tí hon: chỉ nhỏ bằng nửa sợi tóc, đặt vừa trên một con chip

LCH ở bên trái và DLA ở bên phải.

Large Hadron Collider (LHC) là một cấu trúc ngầm khổng lồ, có chu vi 27 km, một kỳ quan của khoa học hiện đại và tốn hàng tỷ đô la để xây dựng và vận hành. Với LHC, chúng ta đi sâu vào vật lý hạt – tức là tìm ra cấu trúc bên trong và tương tác của mọi thứ chúng ta biết.

Và các nhà khoa học vừa làm được điều gì đó… ngược lại về mặt kích thước: họ đã tạo ra một máy gia tốc hạt có kích thước chỉ 30 micromet, dày hơn một chút so với nửa sợi tóc của con người.

Cấu trúc nhỏ bé này là một trong những phát triển mới nhất trên con đường hướng đến “máy gia tốc trên chip”, một máy gia tốc hạt nhỏ có thể dẫn đến những đột phá trong khoa học vật liệu, hóa học và y học (cụ thể là phát triển thuốc). Chiếc máy nhỏ bé này, được gọi là Máy gia tốc laser điện môi (DLA), có thể mở đường cho các máy gia tốc nhỏ gọn hơn, rẻ hơn, hoạt động ở cùng mức năng lượng như các máy gia tốc hạt khổng lồ hiện nay. Các ứng dụng khả thi bao gồm thiết bị chụp X-quang, thiết bị bức xạ để điều trị ung thư, thiết bị quét công nghiệp, v.v.

Neil Sapra, tác giả chính của nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science, trả lời phỏng vấn qua điện thoại với Vice rằng: “Ý tưởng ban đầu là giảm kích thước của máy gia tốc hạt”.

Một sợi carbon có đường kính 6 micromet được đặt cạnh một sợi tóc người có đường kính 50 micromet.

Các thí nghiệm trước đây đã chỉ ra rằng một nguồn sáng có thể tăng tốc các hạt ở quy mô vi mô. Thiết bị mới xây dựng trên nền tảng lý thuyết đó và sau đó cải thiện nó theo nhiều cách với một thiết kế mới có thể bắn các hạt với tốc độ bằng 94 phần trăm tốc độ ánh sáng.

“Điều quan trọng về nghiên cứu này là thiết bị của chúng tôi là ví dụ đầu tiên về một con chip chứa máy gia tốc laser điện môi”, Sapra cho biết. “Đây là con đường dẫn đến các hệ thống quy mô lớn hơn với khả năng thậm chí còn lớn hơn”.

Nhóm các nhà khoa học đã có thể đạt được bước đột phá này bằng “kỹ thuật đảo ngược photon”, nghĩa là họ có được thiết kế máy gia tốc từ máy tính bằng cách sử dụng thuật toán tối ưu hóa, đồng thời quan sát hành vi của photon ở cấp độ nano.

Thiết kế máy gia tốc được sử dụng là một con chip có bề mặt phẳng và nhiều rãnh để dẫn electron. Khi một chùm tia laser hồng ngoại chiếu vào bề mặt chip, các electron sẽ tăng tốc và nhận được một lượng năng lượng khoảng 1 kiloelectrovolt – 1 KeV.

Một phần của máy gia tốc được phóng đại lên 25.000 lần.

“Nếu bạn nhìn vào thiết kế chip này, không một kỹ sư nào có thể nghĩ ra được”, Sapra nói. “Tôi không nghĩ chúng tôi có thể làm được điều đó nếu không có kỹ thuật đảo ngược các photon, vì sẽ quá khó để đưa ra thiết kế theo cách cũ”.

Hiện tại, thiết kế DLA vẫn còn yếu, quy mô của máy sẽ cần phải lớn hơn 1.000 lần để đạt đến mốc megaelectrovolt – mức hoạt động của máy gia tốc hạt. Nhóm nghiên cứu cho rằng họ sẽ mất khoảng 5 đến 10 năm để tạo ra nguyên mẫu đầu tiên của máy gia tốc hạt nhỏ, giúp giảm chi phí và tăng độ chính xác trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, đặc biệt là y học.

Sapra cho biết: “Các mạch quang tử này cũng dựa trên các nguyên lý của ngành công nghiệp điện tử, vì vậy đây không phải là nỗ lực để tạo ra một cỗ máy nhỏ hơn mà là nỗ lực để giảm chi phí của thiết bị”.

Tham khảo Phó