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- 레이저 펄스와 작은 실리콘 기둥이 전자를 활성화
- 가속기 채널은 폭이 225nm(나노미터), 길이가 500㎛(마이크로미터)에 불과
- 초기 테스트에서 공급되는 전자의 에너지는 28.4KeV(킬로전자볼트)에서 40.7KeV로 증가
- 응용을 위해서는 나노가속기의 에너지가 약 100배 증가해야

나노 규모 가속기
레이저 펄스와 작은 실리콘 기둥이 전자를 활성화한다.

작지만 강력함:
이 작은 막대에는 소형 입자 가속기가 숨겨져 있다. 그는 레이저 펄스를 사용하여 실리콘 나노기둥 쌍 사이에서 전자를 추진함으로써 전자의 속도를 높인다. 이를 위한 가속기 채널은 폭이 225nm(나노미터), 길이가 500㎛(마이크로미터)에 불과하다. 이 나노광자 전자 가속기의 전체 앙상블은 하나의 칩에 맞다. 

▲ 이 빔에는 전자를 위한 나노광자 입자 가속기가 숨겨져 있다. 가속기 채널의 길이는 500마이크로미터에 불과하다. © FAU/ Julian Litzel

CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider)와 같은 고전적인 입자 가속기는 초전도 자석을 사용하여 입자를 빛의 속도에 가깝게 끌어올리기 위해 킬로미터 길이의 링이 필요하다. 그러나 더 작게 만들 수도 있다. 테라헤르츠나 레이저 빔을 드라이브로 사용하면 전자 가속기는 신발 상자나 성냥갑 크기로 줄어들 수 있다. 2020년 초, 물리학자 팀은 처음으로 칩 크기의 전자 가속기를 구축하는 데 성공했다.

실리콘 컬럼 및 레이저 펄스

이제 Erlangen-Nuremberg 대학의 Tomáš Chlouba가 이끄는 팀은 소형화의 다음 단계를 밟았다. 길이가 0.5mm, 폭이 225nm에 불과한 전자용 나노광자 가속기를 개발했다. 이는 교번 위상 포커싱(APF) 방식 덕분에 가능하다. 전자빔은 구동 레이저 펄스의 위상 변화에 따라 교대로 초점이 맞춰지고 초점이 흐려진다. 팀이 설명하는 것처럼 이로 인해 전자가 가속되고 동시에 궤도를 유지하게 된다.

구체적으로 나노광자 가속기는 각각 높이가 약 2마이크로미터인 수백 개의 실리콘 기둥이 두 줄로 늘어서 있는 구성이다. 이는 적외선 레이저의 초단파 레이저 펄스로 조명되어 이들 사이에 광학 필드를 생성한다. 그러면 전자빔이 이 기둥 채널로 공급된다. 레이저 펄스와 광학장과 채널을 통해 흐르는 전자의 상호 작용으로 인해 전자가 기둥 사이에서 약간 바깥쪽으로 편향되어 가속되지만, 그런 다음 두 기둥 사이에서 다시 포착되어 초점이 맞춰진다.

전자 에너지가 거의 두 배로 증가했다.

이러한 포커싱과 디포커싱의 지속적인 교대는 전자를 가속시킨다. 초기 테스트에서 길이가 500마이크로미터에 불과한 가속기 채널에 공급되는 전자의 에너지와 속도는 28.4KeV(킬로전자볼트)에서 40.7KeV로 증가했다. "이것은 43%의 상당한 에너지 이득을 나타낸다."라고 물리학자들은 보고했다. "이 가속도에서 전자의 수가 거의 변하지 않는 것도 중요하다.“

대부분의 응용 분야에서는 전자의 가속도와 양이 여전히 너무 낮다. 그러나 팀은 이미 칩의 입자 가속기가 의료 응용에 충분할 정도로 에너지 및 전자 전류 이득을 증가시키기 위해 노력하고 있다. Chlouba는 “꿈의 적용은 내시경에 입자 가속기를 배치하여 방사선 치료를 신체의 영향을 받은 부위에 직접 전달하는 것이다”고 말했다.

그러나 그러한 응용을 위해서는 나노가속기의 에너지가 약 100배 증가해야 한다. 물리학자들은 이미 구현에 대한 아이디어를 가지고 있다. “채널 출구에서 더 높은 에너지로 더 높은 전자 전류를 달성하려면 구조를 확장하거나 여러 채널을 서로 옆에 배치해야 한다”고 Chlouba는 설명했다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06602-7)
출처: 프리드리히 알렉산더 대학교 에를랑겐-뉘른베르크(FAU)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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