中國(guó)公眾接觸并了解粒子加速器，或許要感謝楊振寧與丘成桐關(guān)于“中國(guó)現(xiàn)在是否需要大型粒子加速器”的持久辯論。

最早科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把粒子加速到接近光速，再讓它們對(duì)撞，就可以獲取到大量微觀粒子。而基于加速器的粒子物理研究，引領(lǐng)了對(duì)物質(zhì)根本結(jié)構(gòu)的研究。而楊振寧反對(duì)是因?yàn)?，他認(rèn)為大型對(duì)撞機(jī)的建設(shè)就好比 “軍備競(jìng)賽” 一樣，設(shè)備需要一步步升級(jí)，投入的資金也要越來(lái)越多，并且維護(hù)設(shè)備也需要巨額的費(fèi)用。

同時(shí)，楊振寧也表示，不建超大對(duì)撞機(jī)，高能物理仍然有其他方向值得探索。

當(dāng)中國(guó)陷于是否要上馬更大型的超級(jí)對(duì)撞機(jī)爭(zhēng)議之時(shí)，美國(guó)有研究團(tuán)隊(duì)在探索另一條路，并在加速器技術(shù)小型化的相關(guān)研究中取得初步成果。

今天，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在 Science 雜志上展示了一種由硅芯片構(gòu)建的加速器原型。就好比讓一臺(tái)普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)獲得了一個(gè)塞滿房間的大型主機(jī)的功能一般，研究人員將巨大的粒子加速器的部分功能封裝在了硅芯片上。

這項(xiàng)研究出自 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，其位于斯坦福大學(xué)校園旁的山坡上，是美國(guó)能源部下屬的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，由斯坦福大學(xué)運(yùn)行管理。這里運(yùn)行著約 3 公里長(zhǎng)的科學(xué)儀器，在這樣巨大的加速器中，一連串的電子流過(guò)真空管道，隨著微波輻射的爆發(fā)將粒子向前推動(dòng)得越來(lái)越快，直到它們的速度接近光速，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的光束。來(lái)自世界各地的科學(xué)家們都在用它來(lái)探測(cè)無(wú)機(jī)生物材料的原子和分子結(jié)構(gòu)。

圖 | SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室航拍圖（來(lái)源：Wiki）

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和 SLAC 的科學(xué)家們首次創(chuàng)建了一種可以加速電子的硅芯片，盡管速度僅是那種大型加速儀器的一小部分，但芯片的體積也只有傳統(tǒng)加速裝置結(jié)構(gòu)大小的十萬(wàn)分之一，其中含有許多納米真空通道，當(dāng)粒子在其中通過(guò)時(shí)，會(huì)由紅外激光而不是傳統(tǒng)的微波來(lái)增能加速。

因?yàn)榧t外激光的波長(zhǎng)比微波更短，所以可以在極短（不及頭發(fā)粗細(xì)）的范圍內(nèi)加速電子。目前，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用該芯片將電子加速至光速的 94%。研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人、斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授 Jelena Vuckovic 在 1 月 3 日 的 Science 雜志上解釋了他們?nèi)绾卧诠枭系窨坛黾{米級(jí)通道，將其密封在真空中，并通過(guò)該腔體發(fā)射出紅外光脈沖。

Jelena Vuckovic 對(duì)媒體表示：“這個(gè)片上加速器只是一個(gè)原型，這種設(shè)計(jì)和制造技術(shù)可以擴(kuò)大規(guī)模，以提供足夠加速的粒子束，用以進(jìn)行化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)發(fā)現(xiàn)等方面的前沿實(shí)驗(yàn)，而無(wú)須借助大型加速器的力量?！边@樣一來(lái)，就可以避免很多 “高射炮打蚊子” 的尷尬。

圖 | 放大了 2.5 萬(wàn)倍的圖像顯示了芯片上的加速器的一部分，灰色結(jié)構(gòu)將紅外激光（黃色和紫色）聚焦在流經(jīng)中心通道的電子上（來(lái)源：Courtesy Neil Sapra）

逆向思維帶來(lái)成功設(shè)計(jì)

論文的第一作者、研究生 Neil Sapra 在論文中解釋了他們的團(tuán)隊(duì)如何讓芯片可以通過(guò)硅發(fā)射紅外光脈沖，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間、以恰當(dāng)?shù)慕嵌茸矒綦娮?，推?dòng)電子不斷加速。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們顛倒了設(shè)計(jì)過(guò)程。在傳統(tǒng)加速器中，比如 SLAC 的加速器，工程師們通常會(huì)草擬一個(gè)基本的設(shè)計(jì)，然后運(yùn)行仿真模擬，用物理的方式來(lái)安排微波爆發(fā)，以提供最大的加速度。但是，使用的微波在波長(zhǎng) 4 英寸左右（約 10 厘米），而紅外線的波長(zhǎng)卻只有人頭發(fā)的十分之一。

這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外光可以在如此短的距離內(nèi)加速電子。不過(guò)這也意味著，該芯片的大小必須是傳統(tǒng)加速器結(jié)構(gòu)的十萬(wàn)分之一。而這就需要一種基于硅集成光子學(xué)和光刻技術(shù)的工程新方法。

研究人員使用 Jelena Vuckovic 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出的 “逆設(shè)計(jì)算法” 解決了該問(wèn)題。這種算法允許研究人員逆向工作，可以先具體指定他們希望芯片傳遞多少光能，并為軟件設(shè)置任務(wù)分配；再建議如何構(gòu)建合適的納米尺度結(jié)構(gòu)，來(lái)使光子與電子流進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕佑|。

圖 | 研究領(lǐng)導(dǎo)者、斯坦福大學(xué)黃仁勛全球領(lǐng)導(dǎo)力教授、電氣工程學(xué)教授 Jelena Vuckovic （來(lái)源：stanford.edu）

“有時(shí)候，逆設(shè)計(jì)可以給工程師們提出此前可能想不到的解決方案?！?SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、論文的合著者 R. Joel England 說(shuō)道。

逆設(shè)計(jì)算法提出了一個(gè)看起來(lái)完全超乎想象的芯片布局。

想象一下，一個(gè)由硅蝕刻出的、被通道隔開的納米臺(tái)面。電子在通道中流動(dòng)，就像一根由硅線組成的繩索，在溝壑縱橫的峽谷上穿過(guò)。每次激光脈沖（100,000 次 / 秒）都會(huì)使一束光子擊中一堆電子，使它們向前加速。而所有這些事情，都發(fā)生在一個(gè)比頭發(fā)還細(xì)的范圍下。

有望帶來(lái)新的癌癥放射療法

Vuckovic 表示：“最大的粒子加速器就和功能強(qiáng)大的天文望遠(yuǎn)鏡一樣，世界上只有少數(shù)幾個(gè)，科學(xué)家們必須到像 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室這樣的地方來(lái)使用它們。而我們希望能以一種易于使用的工具方式來(lái)使加速器技術(shù)小型化?！?/p>

因此，團(tuán)隊(duì)成員把他們的方法類比為將大型計(jì)算主機(jī)發(fā)展為較小但仍然有用的臺(tái)式計(jì)算機(jī)的過(guò)程。

論文的合著者、物理學(xué)家 Robert Byer 說(shuō)：“片上加速器的技術(shù)也可能帶來(lái)新的癌癥放射療法。因?yàn)檫@也涉及一個(gè)大小尺寸問(wèn)題。如今，醫(yī)用 X 射線儀器占據(jù)了整個(gè)房間并發(fā)出難以聚焦在腫瘤上的輻射束，需要患者佩戴鉛罩來(lái)最大程度地減少附帶損害?！?/p>

“在這篇論文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳送到腫瘤，而不影響健康組織?！?他補(bǔ)充道。Robert Byer 也是 “芯片上加速器國(guó)際計(jì)劃（AChIP）” 的領(lǐng)導(dǎo)者，該計(jì)劃專注于打造硅基電子加速器。這項(xiàng)多學(xué)科、多機(jī)構(gòu)合作的計(jì)劃，目標(biāo)是在芯片上生成具有 1 MeV 能量的電子脈沖，產(chǎn)生飛秒到阿秒（1×10?15 秒到 1×10?18 秒）的脈沖。

研究人員希望將電子加速到光速的 94％，即一百萬(wàn)電子伏（1 MeV），這樣能產(chǎn)生足以用于研究或醫(yī)學(xué)目的的粒子流。目前，該原型芯片僅能提供單級(jí)加速，且電子流需要通過(guò)大約 1,000 個(gè)這樣的 “單級(jí)” 才可能達(dá)到 1 MeV。

（來(lái)源：Pixabay ）

但 Vuckovic 對(duì)此表示，這并不會(huì)讓人望而生畏，因?yàn)樵撛推系募铀倨魇且粋€(gè)完整的集成電路。這意味著創(chuàng)建加速所需的所有關(guān)鍵功能都直接內(nèi)置在芯片中，因此增加相應(yīng)的功能應(yīng)該并不困難。

他們計(jì)劃在 2020 年年底之前，在大約一英寸的芯片空間中封裝出 1000 個(gè)加速階段，以達(dá)到 1 MeV 的目標(biāo)。如果成功，這將會(huì)是一個(gè)重要的里程碑，但這種設(shè)備的功率仍無(wú)法與 SLAC 研究加速器的功能相提并論。因?yàn)楹笳呖僧a(chǎn)生比 1 MeV 高 3 萬(wàn)倍的能量。

Byer 認(rèn)為，就像晶體管最終取代電子設(shè)備中的真空管一樣，基于光的設(shè)備終將有一天會(huì)挑戰(zhàn)微波驅(qū)動(dòng)加速器的功能。

同時(shí)，由于期望在芯片上開發(fā) 1 MeV 加速器，論文的合著者之一、電氣工程師 Olav Solgaard 已經(jīng)開始著手研究潛在的抗癌應(yīng)用。目前，高能電子因會(huì)灼傷皮膚，并沒(méi)有用于放射治療。Solgaard 正在研究一種方法，試圖通過(guò)使用粒子束像外科手術(shù)一樣進(jìn)行放射療法。

“或可將來(lái)自芯片大小加速器的高能電子通過(guò)導(dǎo)管狀真空管的引導(dǎo)，插入皮膚下方，直達(dá)腫瘤旁邊?！?Solgaard 說(shuō)，“除了研究應(yīng)用之外，我們還可以從加速器技術(shù)的小型化中獲得醫(yī)學(xué)利益。”

來(lái)源：MIT科技評(píng)論