指尖上的加速器

你也许正在打算升级你家里的电脑，或许还打算在旁边再添置一台打印机，但是有没有想过在书桌上再摆放些其他什么，比如说，一台粒子加速器？这个建议现在听上去确实有些不着边际，但在不远的未来，粒子加速器也许真会成为能够在超市里选购的家用电器之一。

欧洲核子中心展室里的环形大型重子对撞机模型

说起粒子加速器，人们最先想到的可能就是如今的科学明星，深埋在法国和瑞士边界100多米的地下，属于欧洲核子中心（CERN）的长达27公里的环形大型重子对撞机（LHC）。正是这个超级机器通过加速亚原子粒子到接近光速然后使之对撞，才帮助人类发现了希格斯玻色子，如今它正在升级改造，之后将会以更强的能量进行粒子对撞试验。一般说，加速器的轨道越长或是半径越大，越能使在其中运行的粒子速度更接近光速，因此粒子对撞的能量才更大。所以，大型重子对撞机成为世界上最大的机器，坐落在斯坦福大学的属于美国能源部的SLAC国家加速器实验室的线性粒子加速器也长达3.2公里。

一个个的巨型粒子加速器难免让人推想，人们为了把粒子加速到更高的能量，粒子加速器会变得越来越大，物理学家们迟早会制造出一个围绕着整个地球的粒子加速器来。但是在美国SLAC国家加速器实验室的最近研究项目却与之相反，他们最新研制的粒子加速器甚至可以摆放在人的指尖上，这种只有几毫米的比一个米粒还要小的由石英玻璃制成的粒子加速器最近吸引了全世界的关注，也许它会改变粒子物理学研究的方式，并且使粒子加速器真正走进人们的日常生活。

对于微型粒子加速器的研究并非是在这几年才兴起的，一直有很多物理学家希望制造出微型加速器，但是这项研究直到最近几年才有了长足进步，原因就在于商用激光光源变得廉价。另外，人类在半导体物理学领域的快速进步使得人们对于微观结构进行刻画的能力大大增强，可以实现纳米级的精细构造，这两方面技术的进步才使微型粒子加速器成为现实。

人们对于粒子加速器的研究，有些类似于20多年前对于计算机内核的研究，在人们认识到计算机可能对人类生活有很大帮助时，对于计算机内核结构的研究以及其未来发展方向的探讨也越来越多。一方面，计算机内核的结构变得越来越庞大、复杂，耗电也越来越多，这为日后研制出复杂的大型计算机打下了基础。但在当时也有另一个研究方向，认为计算机的内核只需要做到尽量微型、简单，耗电少，在这个方向的研究为日后发展出手机等其他便携式电子设备打下了基础（精简指令集计算机的项目研究也起源于斯坦福大学）。

2011年在墨西哥召开的第24届国际微机电系统会议上，美国康奈尔大学的研究者就展示了他们研制的微型粒子加速器，他们不是利用通常大型粒子加速器使用的巨型磁铁，而是通过平行排列的电极导轨在5毫米长的轨道上加速氩离子。它的研究者认为，在这个微型粒子加速器的基础上继续改进，将可以研究出只有鞋盒子大小的电子扫描显微镜。

同时，在加州大学洛杉矶分校（UCLA）也有一组研究者进行微型粒子加速器的研究，他们在2011年首先发表了研究成果，这个机器被称为“微型加速器平台”（Micro Accelerator Platform，MAP）。在这个加速器中，电子的运行轨道只有几微米。这个微型粒子加速器平台结构随后在斯坦福大学进行测试，同时被测试的还有SLAC国家实验室和斯坦福大学的合作项目——“基于电解质的激光加速器”（Dielectric-based Laser Accelerator，DLA）。2013年9月27日，SLAC国家实验室和斯坦福大学的研究者们在《自然》杂志上共同发表了他们的研究成果《激光驱动电解质微结构电子加速器的展示》（Demonstration of Electron Accelerationina Laser-driven Dielectric Microstructure），介绍他们的最新研究成果——可以放在指尖上的微型粒子加速器。

斯坦福大学研制的微型直线加速器

大型的环形粒子加速器通常使用微波产生的电场对电子进行加速，而直线粒子加速器则是通过高速转换的电极对电子加速。在直线粒子加速器的轨道中，带负电的电子会经过不同的电极，它们被负电极排斥，而被远端的正电极吸引。当电子加速运行到了远端的正电极，这个正电极又转换为负电极，继续推动电子，持续不断地加速，正是通过这种方式使电子的速度达到接近光速。基于电解质的激光加速器加速电子的方式类似于直线加速器，在这个微型结构中，电子运行轨道的高度只有人头发丝宽度的1/200，研究者们利用红外激光垂直作用于微型加速器的电子运行轨道，而红外激光的波长恰好是电子运行轨道高度的两倍，激光高速振荡的电磁场作用于电子，通过在加速器轨道上的微型结构，可以以极高的效率对电子加速。

在基于电解质的激光加速器最初的展示实验中，它已经展现了非常高效的加速电子能力，每米可以使电子能量增加300兆电子伏，这已经是SLAC国家加速器实验室的直线粒子加速器效率的10倍，而研究者的目标是把效率再提高3倍，实现每米使电子的能量增加1000兆电子伏。

尽管已经实现了远超一般粒子加速器效率的微型激光加速器，但是这个“指尖上的加速器”还不算是一个完整的研究成果。对粒子进行加速，通常需要经过两个部分，第一步是首先把粒子加速到接近光速，第二步是对粒子注入能量，对其进一步加速。而基于电解质的激光加速器可以实现的是其中的第二步，它首先需要电子被加速到接近光速的速度，然后被导入到这个微型轨道中。目前，电子加速的第一步尚无法通过基于电解质的激光加速器来实现，只能先通过SLAC国家加速器实验室的线性粒子加速器首先对电子束进行加速，之后再把电子束通过磁场导入到微型加速器中。因为在线性粒子加速器中加速的电子束远大于基于电解质的激光加速器的电子轨道，因此每50个电子中大约才有一个电子进入到基于电解质的激光加速器中。想要一个可以放在书桌上的粒子加速器，恐怕还要等上一段时间。

而几乎与此同时，2013年9月27日，来自德国马克斯·普朗克研究所和埃尔朗根·纽伦堡大学的物理学家约翰·布鲁尔（John Breuer）和皮特·霍默霍夫（Peter Hommel hoff）在《物理评论快报》（PRL）杂志发表论文《在电解质结构上对非相对论性电子进行激光加速》（Laser-based Acceleration of Nonrelativistic Electronsata Dielectric Structure），利用与斯坦福大学相似的技术，可以对低能量的电子束进行初步加速。那么，如果可以把这两个结构结合到一起，就有可能真正制造出一个能够放在书桌上的微型粒子加速器。

一个家用的微型粒子加速器有什么用处？实际上，人们生活中经常用到的X光探测器，老式电视机的显像管，都算得上是粒子加速器。如果这种新型的便携式微型粒子加速器研制成功，真正可以成为常见的家用电器，那么它可能有各式各样的用处，比如制造便携式的安全检测设备，甚至是用作治疗癌症的医疗设备。这种原本用于高能物理学实验的巨型实验设备，也许会迅速走进人们的生活。

（本文写作参考了美国物理学会、《自然》杂志和斯坦福大学的相关报道）