Científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional (SLAC) del Departamento de Energía estadounidense y la Universidad de Stanford, en Palo Alto, California, utilizaron un láser para acelerar los electrones a una velocidad diez veces superior a la tecnología convencional en un chip de vidrio nanoestructurado más pequeño que un grano de arroz, un avance que podría reducir drásticamente los aceleradores de partículas para la ciencia y la medicina, según publica la revista Nature.
"Todavía tenemos una serie de desafíos hasta que esta tecnología pueda funcionar para uso en el mundo real, pero con el tiempo reducirá 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 –explicó Joel England, físico del SLAC y director de los experimentos–. También podría ayudar a desarrollar aceleradores compactos y dispositivos de rayos X para análisis seguros, tratamientos médicos e imágenes y la investigación en la biología y ciencia de los materiales".
Debido a que emplea láseres comerciales y técnicas de producción en masa de bajo coste, los investigadores creen que será el escenario para las nuevas generaciones de aceleradores de "mesa". En su máximo potencial, el nuevo "acelerador en un chip" puede igualar el poder de aceleración del acelerador lineal de SLAC de 3,2 kilómetros de largo en poco más de 30 metros y entregar un millón de pulsos más de electrones por segundo.
Esta demostración inicial logró un gradiente de aceleración, o la cantidad de energía obtenida por unidad de longitud, de 300 millones de electronvoltios por metro, lo que es aproximadamente diez veces la aceleración proporcionada por el actual acelerador lineal SLAC. "Nuestro objetivo final de esta estructura es mil millones de electronvoltios por metro, y ya llevamos un tercio del camino en nuestra primera experiencia", dijo el profesor de Stanford Robert Byer, investigador principal de este estudio.
Los aceleradores de hoy 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, según sus autores. Las partículas se aceleran generalmente en dos etapas: primero se elevan a casi la velocidad de la luz y, entonces, cualquier aceleración adicional aumenta su energía, pero no su velocidad, lo que es la parte difícil.
En los experimentos del acelerador en un chip, los electrones son acelerados primero a cerca de la velocidad de la luz en un acelerador convencional. A continuación, se centran en un pequeño canal de media micra dentro de un chip de vidrio de cuarzo de apenas medio milímetro de largo. El canal fue modelado con los cantos a nanoescala espaciados con precisión. La luz de láser infrarrojo que brilla en el patrón genera campos eléctricos que interaccionan con los electrones en el canal para aumentar su energía.
Convertir el acelerador en un chip en un acelerador de sobremesa en toda regla requerirá una manera más compacta de elevar la velocidad de los electrones antes de entrar en el dispositivo. Un grupo de investigación colaborador en Alemania, dirigido por Peter Hommelhoff, en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, ha estado buscando una solución, logrando utilizar un láser para acelerar los electrones de baja energía, un éxito del que informa la revista Physical Review Letters.