Akselerator Kecil Stanford Menjanjikan Lompatan Besar untuk Terobosan Medis dan Fisika

Kemajuan baru yang dilakukan para insinyur Stanford dapat menyebabkan akselerator partikel tersedia secara luas dalam sains, kedokteran, dan industri.

Peneliti Stanford semakin dekat untuk membangun akselerator elektron kecil berdasarkan teknologi “accelerator-on-a-chip” dengan potensi penerapan luas dalam mempelajari fisika serta penggunaan medis dan industri.

Para peneliti telah menunjukkan bahwa akselerator laser dielektrik silikon, atau DLA, kini dapat mempercepat dan membatasi elektron, menciptakan berkas elektron berenergi tinggi yang terfokus. “Jika elektron adalah mobil mikroskopis, maka untuk pertama kalinya kita seolah-olah sedang mengemudi dan menginjak gas,” kata Payton Broaddus, PhD '23 di bidang teknik elektro dan penulis utama makalah yang diterbitkan pada tanggal 23 Februari yang merinci terobosan dalam Surat Tinjauan Fisik.

Membawa Akselerator Dari Mil ke Mikron

Akselerator menghasilkan berkas partikel berenergi tinggi yang memungkinkan fisikawan mempelajari sifat-sifat material, menghasilkan probe terfokus untuk aplikasi medis, dan mengidentifikasi bahan dasar penyusun semua materi di alam semesta. Beberapa akselerator partikel berenergi tinggi paling awal, yang dikembangkan pada tahun 1930an, dapat ditempatkan di atas meja. Namun energi partikel yang lebih tinggi diperlukan untuk mempelajari fisika lebih lanjut, sehingga para ilmuwan perlu membangun sistem yang lebih besar. (Didukung pada tahun 1966, terowongan akselerator linier asli di SLAC National Accelerator Laboratory di kampus Stanford panjangnya hampir 2 mil.)

Meskipun sistem ini telah memungkinkan banyak penemuan dalam fisika partikel, Broaddus termotivasi untuk membangun akselerator linier kecil yang pada akhirnya dapat menyaingi kemampuan mesin yang berukuran lebih dari seribu kali lipat, dengan biaya yang lebih murah. Hal ini juga akan memungkinkan penerapan baru dalam bidang kedokteran, seperti kemampuan untuk memasang perangkat ini ke probe kecil dan menembakkan berkas elektron secara tepat ke tumor. “Ada kemampuan untuk sepenuhnya menggantikan akselerator partikel lain dengan sesuatu yang lebih murah dan lebih kecil,” katanya.

Berkat kemajuan dalam fabrikasi skala nano dan laser, visi ini semakin mungkin terjadi, kata Olav Solgaard, direktur Laboratorium Edward L. Ginzton dan Profesor Robert L. dan Audrey S. Hancock di Fakultas Teknik dan penulis senior makalah tersebut. Akselerator frekuensi radio tradisional terdiri dari rongga tembaga yang dipompa dengan gelombang radio, yang memberikan dorongan energi pada partikel. Pulsa ini dapat memanaskan logam, sehingga rongga harus beroperasi pada energi dan laju pulsa yang lebih rendah untuk menghilangkan panas dan menghindari pencairan.

Namun struktur kaca dan silikon dapat menangani gelombang energi yang jauh lebih tinggi dari laser tanpa memanas, sehingga mereka bisa jauh lebih kuat namun jauh lebih kecil. Sekitar 10 tahun yang lalu, peneliti Stanford mulai bereksperimen dengan struktur skala nano yang terbuat dari bahan-bahan tersebut. Pada tahun 2013, sebuah tim yang dipimpin oleh rekan penulis makalah Robert Byer, Profesor Emeritus William R. Kenan, Jr., menunjukkan bahwa akselerator kaca kecil dengan cahaya inframerah berdenyut telah berhasil mempercepat elektron. Hasil ini menyebabkan proyek tersebut diadopsi oleh Gordon dan Betty Moore Foundation di bawah kolaborasi internasional Accelerator on a Chip (ACHIP) untuk menghasilkan akselerator mega-elektron-volt seukuran kotak sepatu.

Namun “akselerator dalam sebuah chip” pertama ini masih memiliki beberapa kendala yang harus diatasi. Seperti yang dikatakan Broaddus, elektron di dalamnya ibarat mobil di jalan sempit tanpa kemudi. Mereka dapat berakselerasi dengan sangat cepat tetapi dengan mudah menabrak tembok.

Mengarahkan Elektron Dengan Laser

Kini, tim peneliti Stanford ini berhasil menunjukkan bahwa mereka juga dapat mengarahkan elektron ke atom-atom tersebut skala nano. Untuk melakukan ini, mereka membangun struktur silikon dengan saluran sub-mikron yang ditempatkan dalam sistem vakum. Mereka menyuntikkan elektron ke salah satu ujungnya dan menerangi struktur dari kedua sisi dengan pulsa laser berbentuk yang menghasilkan energi kinetik. Secara berkala, bidang laser beralih antara sifat pemfokusan dan pengaburan, yang menyatukan elektron-elektron, menjaganya agar tidak keluar jalur.

Secara keseluruhan, rantai percepatan, pengaburan, dan pemfokusan ini bekerja pada elektron pada jarak hampir satu milimeter. Kedengarannya mungkin tidak terlalu besar, namun partikel bermuatan ini cukup berhasil, memperoleh energi sebesar 23,7 kilo-elektron-volt, sekitar 25% lebih besar dari energi awalnya. Tingkat akselerasi yang dapat dicapai tim dalam prototipe akselerator kecil mereka sebanding dengan akselerator tembaga konvensional, dan Broaddus menambahkan bahwa tingkat akselerasi yang jauh lebih tinggi dapat dicapai.

Meskipun ini merupakan langkah maju yang signifikan, masih banyak yang harus dilakukan sebelum akselerator kecil ini dapat digunakan dalam industri, kedokteran, dan penelitian. Sejauh ini, kemampuan tim untuk mengarahkan elektron terbatas pada dua dimensi; Pengurungan elektron tiga dimensi diperlukan agar akselerator cukup panjang agar perolehan energi lebih besar terjadi.

Perlombaan Relai Elektron

Kelompok penelitian serupa di Universitas Friedrich Alexander (FAU) di Erlangen, Jerman, baru-baru ini mendemonstrasikan perangkat serupa dengan laser tunggal dan dimulai dengan energi awal yang jauh lebih rendah. Perangkat itu dan perangkat Stanford pada akhirnya akan menjadi bagian dari perlombaan estafet elektron, kata Broaddus.

Relai masa depan ini akan memiliki tiga rekan satu tim: Perangkat FAU akan mengambil elektron berenergi rendah dan memberi mereka permulaan, dan kemudian elektron tersebut dapat dimasukkan ke dalam perangkat yang mirip dengan yang dikembangkan Broaddus. Langkah terakhir untuk elektron adalah akselerator yang terbuat dari kaca, seperti yang dikembangkan oleh Byer. Kaca dapat menahan serangan laser yang lebih besar dibandingkan silikon, sehingga memungkinkan akselerator menyediakan energi lebih lanjut dan mendorong elektron menuju kecepatan cahaya.

Pada akhirnya, Solgaard percaya bahwa akselerator kecil seperti itu akan berguna dalam fisika energi tinggi, mengeksplorasi materi fundamental yang membentuk alam semesta serta alam semesta yang lebih besar. “Perjalanan kita masih sangat, sangat panjang,” katanya. Namun dia tetap optimis, menambahkan, “kami telah mengambil beberapa langkah pertama.”

Referensi: “Akselerator Laser Dielektrik Pemfokusan Fase Bergantian Subrelativistik” oleh Payton Broaddus, Thilo Egenolf, Dylan S. Black, Melanie Murillo, Clarisse Woodahl, Yu Miao, Uwe Niedermayer, Robert L. Byer, Kenneth J. Leedle dan Olav Solgaard, 23 Februari 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.085001

Rekan penulis tambahan di Stanford termasuk Dylan Black, PhD '21; Yu Miao, PhD '20; dan mahasiswa PhD Melanie Murillo dan Clarisse Woodahl; dan mantan insinyur penelitian Kenneth Leedle. Thilo Egenolf dari Institut Percepatan Partikel dan Medan Elektromagnetik di Darmstadt, Jerman, juga merupakan salah satu penulis.

Robert Byer juga seorang profesor emeritus dalam fisika terapan di Fakultas Humaniora dan Sains dan di Direktorat Sains Foton di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC dan anggota Stanford Bio-X. Solgaard juga seorang profesor teknik elektro; anggota Bio-X, Stanford Cancer Institute, dan Wu Tsai Neurosciences Institute; dan afiliasi dari Precourt Institute for Energy dan Stanford Woods Institute for the Environment.