Hoa Kỳ chỉ có hai máy gia tốc có thể tạo ra chùm hạt có năng lượng 10 tỷ electron-volt, và mỗi cái dài khoảng 1,9 dặm (3 km). “Chúng tôi hiện có thể đạt được những năng lượng đó trong 10 cm (4 inch)”, Giám đốc điều hành của TAU Systems nói, công ty đã xây dựng một máy gia tốc siêu nhỏ.
Vậy đó là chiều dài của buồng khí đầy helium nơi gia tốc thực sự xảy ra trong thiết bị mà TAU vừa thử nghiệm. Máy gia tốc tiên tiến này cũng yêu cầu một loại laser “quái vật” để vận hành – trong trường hợp này, đó là Texas Petawatt Laser, nằm trên một bàn dài 34 feet (10 m) tại Trung tâm Năng lượng Cao Mật độ tại Đại học Texas ở Austin.
Là một trong những cấp độ laser mạnh nhất thế giới, quái vật này phát ra những tia sáng laser cực mạnh với cường độ năng lượng khoảng 1.000 lần toàn bộ công suất lắp đặt của toàn bộ Hoa Kỳ – nhưng chỉ một lần mỗi giờ và chỉ trong vòng 150 femtosecond, tức là ít hơn một tỷ phần tỷ giây so với thời gian cần thiết để sét nổ.
Tổng cộng, thiết bị của TAU ít hơn 66 feet (20 m) và phát ra chùm hạt với năng lượng 10 GeV đáng chú ý. Điều này được thực hiện bằng một phiên bản được điều chỉnh của kỹ thuật gia tốc wakefield được mô tả lần đầu tiên vào năm 1979 và hiện đang được áp dụng trong nhiều dự án gia tốc khác nhau.
Một máy gia tốc hạt thông thường hiệu quả là một loạt các vòng, khi được áp dụng điện áp dương lên chúng, có thể hút electron. Các vòng được kích thích theo thứ tự, kéo electron qua đường hầm nhanh chóng và mỗi vòng tắt nguồn điện trước khi electron đến nó.
Một máy gia tốc hạt gia tốc bằng laser, tóm lại, hơn hoặc ít nhiều chuyển đổi một xung sáng chính nó thành một điện từ từng vận tốc ánh sáng, khiến các hạt đuổi theo nó và tích tụ tốc độ và năng lượng đặc biệt lớn trong một khoảng cách rất ngắn.
Thiết bị của TAU sử dụng một buồng nhỏ chứa khí helium. Khi Petawatt Laser phát một xung sáng qua khí này, năng lượng lớn của xung sáng ion hóa khí thành plasma. Và khi nó chạy qua plasma này, xung sáng để lại một làn sóng sau nó, giống như một chiếc thuyền tạo ra khi đi qua nước – ngoại trừ trong trường hợp này, nó tạo ra một dãy biến động điện tích cực mạnh.
Nếu bạn tiêm một electron vào đúng lúc, những điện tích lớn đang di chuyển này sẽ kéo và đẩy nó theo sau xung sáng, rút chân không năng lượng (nhưng không phải tốc độ) của xung sáng laser ban đầu và chuyển nó sang electron gia tốc, đẩy nó lên “một phần lớn tốc độ ánh sáng” trong một khoảng cách ngắn, theo The Thought Emporium.
Bước tiến quan trọng của TAU trong thiết bị này là một laser ablation phụ trợ phát các xung sáng được đồng bộ chính xác vào một tấm kim loại bên trong ô khí, tiêm một dòng hạt nano kim loại vào buồng có thể tăng cường năng lượng được truyền đến electron khi chúng theo sau các xung sáng laser.
“Rất khó để tham gia vào một con sóng lớn mà không bị vượt quá công suất, vì vậy người lướt sóng bị kéo bởi Jet Skis,” Bjorn “Manuel” Hegelich, giáo sư kỹ thuật vật lý tại Đại học Texas và Giám đốc điều hành của TAU Systems nói. “Trong máy gia tốc của chúng tôi, tương đương của Jet Skis là các hạt nano phát electron vào đúng điểm và đúng thời điểm, để chúng tất cả đều đang đứng đó trong con sóng. Chúng tôi có được nhiều electron hơn vào trong con sóng khi và nơi chúng ta muốn, thay vì phân phối theo thống kê trên toàn bộ tương tác, và đó là bí mật của chúng tôi.”
Hegelich và đội ngũ của ông đang phát triển hệ thống laser có kích thước bàn làm việc của riêng mình, họ cho biết sẽ làm cho hệ thống tổng thể trở nên còn nhỏ gọn hơn và sẽ phát ra hàng nghìn lần mỗi giây thay vì một lần mỗi giờ.
Vậy một máy gia tốc hạt siêu nhỏ, có năng lượng cao sẽ làm gì tốt? Có thể là để vận hành một máy laser electron tự do X, có thể tiềm ẩn khả năng quay video chậm ở quy mô nguyên tử hoặc phân tử. Nó cũng có thể hữu ích trong việc kiểm tra xem các thành phần điện tử dành cho chuyến bay vũ trụ có thể chống lại tác động của tia xạ không, để hình ảnh cấu trúc nội tại của thiết kế chip bán dẫn theo chiều 3D và có thể phát triển các phương pháp điều trị ung thư mới và công nghệ hình ảnh y khoa tiên tiến.