Sezione del prototipo dell’acceleratore realizzato dall’università di Stanford ingrandito 25mila volte. Crediti: Neil Sapra/ Stanford University
È un minuscolo capolavoro di nanotecnologia, quello realizzato nei locali dello Slac National Accelerator Laboratory dell’università di Stanford: un team di ricercatori è riuscito a miniaturizzare in un chip una sorta di potente “telescopio” per il nanomondo in grado di osservare dettagli infinitesimali della struttura della materia. È così che la ricercatrice alla guida dello studio pubblicato oggi su Science, Jelena Vuckovic, ingegnere elettrico della Stanford University, definisce gli acceleratori di particelle.
Vuckovic spiega come il suo team sia riuscito a “scavare” un canale nanometrico nel silicio, sigillarlo sottovuoto e – tramite impulsi di luce infrarossa, per la quale il silicio è completamente trasparente – accelerare gli elettroni introdotti nella cavità. Il cosiddetto “acceleratore-in-chip” è per ora solo un prototipo, ma il team di ricercatori è convinto che la tecnica utilizzata possa essere sviluppata e utilizzata in futuro per esperimenti nel campo della chimica, dei materiali e della biologia, dove cioè non è richiesta la potenza di acceleratori di grandi dimensioni, molto scarsi numericamente a causa dell’imponenza delle infrastrutture richieste per realizzarli.
«L’intento è quello di miniaturizzare la tecnologia degli acceleratori per renderli uno strumento di ricerca molto più accessibile agli scienziati» sottolinea Vuckovic. Questo tipo di tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per nuove terapie antitumorali, in cui – di nuovo – è questione di dimensioni. I comuni dispositivi medicali a raggi X producono infatti un fascio di radiazioni molto esteso, richiedendo una schermatura sulle parti del corpo non bersaglio per limitare l’effetto dannoso delle radiazioni. «Con il nostro studio si inizia a vedere come sia possibile condurre il fascio di elettroni direttamente sul tumore, evitando i tessuti sani», osserva Robert Byer, coautore dell’articolo e coordinatore del progetto AChip (Accelerator on a Chip International Program), di cui questo studio è parte integrante.
Il principio di funzionamento del mini acceleratore – spiega il primo autore dell’articolo, Neil Sapra, studente neo-laureato della Stanford University – è il risultato di un “design inverso”. Per raggiungere questo livello di miniaturizzazione, il processo di progettazione del mini acceleratore è stato ribaltato rispetto a quello solito dei grandi acceleratori.
Per questi ultimi, gli ingegneri partono da un progetto di base, poi decidono tramite una serie di simulazioni come impiegare nel modo più efficiente gli impulsi a microonde (la cui lunghezza d’onda è dell’ordine di centimetri) per imprimere la massima accelerazione possibile agli elettroni. Utilizzando invece la radiazione infrarossa, si deve tenere invece presente che la sua lunghezza d’onda è dell’ordine di un decimo dello spessore di un capello umano, dunque dei micron. Questo spiega perché la luce infrarossa possa accelerare gli elettroni su distanze molto inferiori a quelle possibili con le microonde. Ma ciò comporta anche che le caratteristiche fisiche del chip debbano essere 100mila volte più piccole delle strutture in rame di un acceleratore tradizionale: questo richiede un nuovo approccio ingegneristico, basato sulla litografia e sulla fotonica integrata in silicio.
Gli algoritmi di design inverso sviluppati dal team di Vuckovic partono quindi dal “fondo”, dalla quantità di energia che si vuole rilasciare, per poi lasciare che il software calcoli a ritroso come realizzare le nanostrutture necessarie per portare i fotoni a contatto con il flusso degli elettroni. «A volte il design inverso giunge a soluzioni alle quali un ingegnere umano potrebbe non aver mai pensato», dice R. Joel England, uno dei coautori dell’articolo.
L’obiettivo dei ricercatori è raggiungere l’energia di 1 MeV (un milione di elettronvolt), risultato che può sembrare poca cosa rispetto al potenziale dei grandi acceleratori (quello lungo tre chilometri dello Slac, per esempio, può raggiungere livelli di energia 30mila volte superiori), ma stiamo comunque parlando di poter accelerare le particelle a velocità pari al 94 per cento di quella della luce con un piccolo chip. Il prototipo prodotto finora contiene un singolo stadio d’accelerazione, ma combinando mille di questi stadi fra loro in un chip da un pollice, il traguardo del MeV – dicono gli scienziati dello Slac – potrebbe essere raggiunto entro la fine del 2020.
Per saperne di più:
- Leggi su Science l’articolo “On-chip integrated laser-driven particle accelerator”, di Neil V. Sapra, Ki Youl Yang, Dries Vercruysse, Kenneth J. Leedle, Dylan S. Black, R. Joel England, Logan Su, Rahul Trivedi, Yu Miao, Olav Solgaard, Robert L. Byer e Jelena Vuckovic