Američtí vědci sestrojili elektronový urychlovač menší než zrnko rýže

aktualizováno 
Nová technologie by měla umožnit vývoj nové generace menších a levnějších výzkumných, medicínských i průmyslových přístrojů využívajících částice o vysokých energiích.

Hotový vzorek připravený pro testy s laserovým paprskem. | foto: Stanford.edu

Urychlovače částic jsou velice drahá zařízení obřích rozměrů, jež slouží ke zvýšení kinetické energie elementárních částic. Například nejznámější a zároveň největší z nich, ženevský LHC, který urychluje protony a jádra těžkých prvků, přišel na několik miliard švýcarských franků a průměr jeho prstence dosahuje úctyhodných 27 kilometrů.

Elektronové urychlovače

Urychlovače elektronů bývají menší a levnější, i když "menší" a "levnější" mohou být v tomto případě dost relativní pojmy. I tak jde o rozměrná i nákladná technická zařízení.

Snímek skleněné části s urychlovačem na špičce prstu.

Snímek skleněné části s urychlovačem na špičce prstu.

To se ovšem netýká elektronového urychlovače, který sestrojili postgraduální studenti Edgar Peralta a Ken Soong z kalifornské Stanfordovy univerzity. Podstatnou část elektronového urychlovače se jim totiž podařilo umístit do jednoho jediného skleněného čipu! Tím dramaticky snížili velikost urychlovače, neboť celý čip zaujímá objem menší než pověstné zrnko rýže.

Jelikož v návrhu a konstrukci urychlovače použili obyčejné komerční lasery a běžně užívané výrobní postupy, jsou Peralta se Soongem přesvědčeni, že svým počinem připravili půdu pro vývoj zcela nové generace "stolních" urychlovačů.

Urychlování ve dvou fázích

Dnešní urychlovače využívají k urychlování elektronů převážně mikrovlny, což zrovna není příliš snadný ani laciný způsob. Nově zkonstruovaný čip naproti tomu pracuje s obyčejnými lasery.

Elektrony jsou urychlovány ve dvou etapách. Nejprve jsou částice postupně urychleny téměř na rychlost světla, k čemuž je nutné stále použít konvenční urychlovač. Teprve pak jsou zavedeny do čipu, vyrobeného ze speciálního skla z oxidu křemíku, kde je jim udělen další impuls. Jejich rychlost ovšem zůstává stejná, uvnitř čipu se již zvyšuje jen jejich energie.

Co se v čipu vlastně děje?

Jakmile elektrony vletí do čipu, jsou nasměrovány do miniaturního kanálku, ve kterém se odehrává vše podstatné. Kanálek je opravdu titěrně malý, napříč měří jen pouhých 500 nanometrů, do lidského vlasu by se tedy vešel přinejmenším stokrát.

Z boku je elektronový svazek osvětlován infračerveným světlem laseru, jehož vlnová délka se rovná přesně výšce kanálku. Světelné vlny kolem sebe vytvářejí elektrická pole, jež rychle oscilují z jedné strany na druhou a podle toho elektronům buď dodávají nebo naopak odnímají energii (pozitivní urychlující a negativní brzdící pole).

Kdyby byl vnitřek kanálku hladký, tak by v něm zřejmě k žádnému zásadnímu zvýšení energie elektronů nedošlo. Jak se říká, nula od nuly pojde. S něčím takovým vědci samozřejmě počítali. Vše záleží na tom, jak přesně se všechny veličiny ve hře (rozměry kanálku, drážek, vlnová délka světla atd.) sladí dohromady.

Zatím 300 MeV/m

Testovaný výkon nového typu urychlovače je velkým příslibem do budoucna. Nedávno provedené pokusy s čipy s kanálky o 500 drážkách ukázaly, že přírůstek energie elektronů činí na délce jednoho metru až 300 milionů elektronvoltů, čímž byla zhruba desetkrát překonána akcelerace Stanfordova lineárního urychlovače SLAC, největšího dnešního urychlovače elektronů.

"Naším hlavním cílem je při tomto uspořádání dosáhnout miliardy elektronvoltů na metr a už při prvním experimentu jsme ve třetině cesty," poznamenává optimisticky Robert Byer, jeden z iniciátorů celého projektu. Nezbývá než učinit další potřebný krok.

Fyzika, medicína, biologie, ale i materiály a skenery

Přes nesporný úspěch mají ovšem výzkumníci před sebou ještě dost práce. Aby vytvořili první skutečně miniaturní urychlovač, je třeba vyřešit první etapu urychlování elektronů, k níž stále, jak bylo řečeno výše, dochází v klasickém "velkém" urychlovači. Na řešení tohoto problému intenzivně pracují se svými německými kolegy z Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku.

Prozatím celé urychlovací zařízení měří se vším všudy na délku asi třicet metrů. Ale i tak jde ve srovnání s 3,2 kilometru dlouhým SLACem o významný pokrok.

Všeobecně se očekává, že miniaturní urychlovače by mohly najít uplatnění nejen při fyzikálním výzkumu částic, ale i v celé řadě jiných odvětví, ať už při vývoji nových zobrazovacích a léčebných zařízení v medicíně, bezpečnostních skenerů, nebo v biologických a materiálových vědách.

Více o výzkumu v tomto anglickém PDF.

Autor:

Mohlo by vás zajímat: Černobyl

Černobylská havárie se stala 26. dubna 1986 v černobylské jaderné elektrárně na Ukrajině (tehdy část Sovětského svazu). Vzpomínka na tragédii v těchto dnech oživila televizní minisérie Černobyl.

Téma Černobyl v článcích Technet.cz:
Brzda místo plynu a plyn místo brzdy. To byl Černobyl
Havárie neskončí před rokem 2065. Černobyl polyká tuny vody a miliardy eur
Výbuch roztavil beton a tisícitunový poklop létal vzduchem. Černobyl 1986

Nejčtenější

Neudělejte chybu jako Ovčáček. Ověřovací kód nikdy nikomu neposílejte

Pro bezpečí na internetu je důležité nesdělovat soukromé ověřovací kódy, někdo...

Pokud vám přijde zpráva s potvrzujícím kódem, zacházejte s ní jako s tajemstvím. Nepište ji nikam, kam nepatří. Nikomu...

Jsou neskutečně levné a jedovaté. Čínské tonery do tiskáren obsazují trh

Jak vybrat náplň do tiskárny, aby do ní padla jako ulitá? Ne každá je vhodná a...

Především kvůli nízké ceně lidé riskují zdraví a kupují ultralevné tonery do laserových tiskáren od neznámých výrobců....

„Zapomenutý“ tank z ČKD. Neozbrojený prototyp přišel Němce draho

První prototyp tanku Praga V-8-H

Ve druhé polovině třicátých let vznikl v Československu prototyp středního tanku srovnatelného s německými tanky stejné...

Proč havarovaly Boeingy 737 Max? Firma spěchala a porušila vlastní zásady

Jak vznikly problémy, které vedly k havárii nejnovějších letadel Boeing 737 MAX

Nejnovější letadla Boeing 737 MAX 8 už tři měsíce nelétají. Při dvou jejich nehodách totiž zemřelo 346 lidí. Stopy...

Astronomové po půl století objevili ztracený lunární modul z Apolla 10

Lunární modul Apolla 10 nad Měsícem (foceno z velitelského modulu)

První mise, která přivezla lidi na jiné kosmické těleso, byla ta s označením Apollo 11. Cestu jí však vyšlapaly...

Další z rubriky

INTERAKTIVNĚ: Z malé účasti těží ANO, z vysoké Piráti? Najděte souvislosti

Prozkoumejte statistiky okresů ČR, najděte souvislosti a korelace

Výsledky voleb do Evropského parlamentu lze analyzovat z různých pohledů. Připravili jsme pro vás nástroj, s jehož...

Dětem škodí obrazovky a displeje. Ale jinak, než si rodiče obvykle myslí

Jak všudypřítomné displeje ovlivňují výchovu dětí? (ilustrační fotografie)

Světová zdravotnická organizace vydala nová doporučení ohledně aktivit vhodných pro malé děti. Nejvíce pozornosti si...

Co vás čeká, když věříte spamu a necháte si zvětšit penis? Zklamání

Měření velikosti (ilustrační koláž)

Zdravotnické statistiky znovu ukázaly, že zákrok, po kterém ve chvíli nejistoty asi zatoužil někdy každý muž, drtivé...

Najdete na iDNES.cz