來源：萬象經驗

作者：Eugene Wang

引言

粒子加速器是一種利用電場和磁場來加速帶電粒子，如電子、質子或離子，使其達到非常高的能量的裝置。它們在科學、醫學和工業等領域有許多應用，如研究物質的結構、制造醫用同位素或產生X射線。然而，大多數粒子加速器都非常龐大和昂貴，需要數公里的隧道或巨大的磁鐵來實現高加速度梯度（單位長度內的能量轉移率）。

最近有研究人員提出了一種新型的粒子加速器，它比傳統的加速器小得多也便宜得多，它使用激光光束來加速光子納米結構內的電子。光子納米結構是一種由硅制成的微小裝置，可以在納米尺度上操縱光。

研究人員證明了他們的光子納米電子加速器可以在僅500微米的距離內將電子的能量提高43%，相當于25GeV/m的加速度梯度。這比傳統加速器的典型梯度高得多，傳統加速器的梯度大約是0.1 GeV/m（線性加速器）或0.01 GeV/m（環形加速器）。研究人員還表明，他們的裝置可以在不同波長和脈沖持續時間的激光下工作，并且可以通過增加距離和能量來進行擴展。

光子納米電子加速原理

光子納米電子加速的基本思想是利用激光束在光子納米結構中產生一個沿著結構傳播并與穿過它的電子相互作用的電場。光子納米結構是一個由硅脊在玻璃基底上周期排列而成的裝置，激光束通過一個光柵耦合器耦合到納米結構中。

激光產生的電場有兩個分量：一個與電子運動方向平行的縱向分量，另一個與之垂直的橫向分量。縱向分量作為電子的加速力，而橫向分量作為電子束的聚焦力。

光子納米電子加速器的關鍵特征是它可以將電場的相位和速度與電子同步，使它們始終受到正的加速力和穩定的聚焦力。這是通過精心設計硅脊的形狀和尺寸來實現的，它們決定了光子納米結構的色散關系。

通過調節色散關系，研究人員可以將光的相速度與電子的速度匹配，也可以將光的群速度與真空中光的速度匹配。這確保了電場始終與電子保持同相位，并且不會輻射損失能量。

實驗結果

首先，研究人員使用一個飛秒激光系統來測試他們的光子納米電子加速器，該系統可以產生不同波長和持續時間的光脈沖。然后，他們使用一個掃描電子顯微鏡（SEM）將電子注入到納米結構中，SEM可以產生能量從0.5 keV到30 keV不等的電子束。最后，他們使用一個能量分析器和一個熒光屏來測量電子在離開納米結構后的能量和空間分布。

研究發現，他們的裝置可以加速初始能量從10 keV到30 keV的電子，相當于速度從0.6c到0.8c。他們觀察到最大能量增益為12.3 keV，對應于初始能量為28.4 keV的電子，最終能量為40.7 keV。這相當于在500微米的距離內的每米25 GeV/m的加速度梯度。

研究還發現他們的裝置可以將電子聚焦成一束窄而穩定的束流，其發散角小于1毫弧度，這比SEM產生的電子束的初始發散角小得多。他們表明，聚焦效應與電子的初始能量和角度無關，并且可以通過改變激光脈沖的波長和持續時間來控制。

他們的裝置可以在波長從780 nm到1560 nm，以及脈沖持續時間從100 fs到10 ps下工作。他們表明，加速度梯度隨著波長增加而增加，隨著脈沖持續時間減少而減少，而聚焦效應對這兩個參數不敏感。他們還表明，他們的裝置可以通過使用多個納米結構串聯來擴展到更長的距離，并且可以與芯片上的其他光子元件集成。

審核編輯：湯梓紅