中國公眾接觸并了解粒子加速器，或許要感謝楊振寧與丘成桐關(guān)于“中國現(xiàn)在是否需要大型粒子加速器”的持久辯論。

最早科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把粒子加速到接近光速，再讓它們對撞，就可以獲取到大量微觀粒子。而基于加速器的粒子物理研究，引領(lǐng)了對物質(zhì)根本結(jié)構(gòu)的研究。而楊振寧反對是因?yàn)?，他認(rèn)為大型對撞機(jī)的建設(shè)就好比 “軍備競賽” 一樣，設(shè)備需要一步步升級，投入的資金也要越來越多，并且維護(hù)設(shè)備也需要巨額的費(fèi)用。

同時，楊振寧也表示，不建超大對撞機(jī)，高能物理仍然有其他方向值得探索。

當(dāng)中國陷于是否要上馬更大型的超級對撞機(jī)爭議之時，美國有研究團(tuán)隊在探索另一條路，并在加速器技術(shù)小型化的相關(guān)研究中取得初步成果。

今天，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊在 Science 雜志上展示了一種由硅芯片構(gòu)建的加速器原型。就好比讓一臺普通臺式計算機(jī)獲得了一個塞滿房間的大型主機(jī)的功能一般，研究人員將巨大的粒子加速器的部分功能封裝在了硅芯片上。

這項(xiàng)研究出自 SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室，其位于斯坦福大學(xué)校園旁的山坡上，是美國能源部下屬的國家實(shí)驗(yàn)室，由斯坦福大學(xué)運(yùn)行管理。這里運(yùn)行著約 3 公里長的科學(xué)儀器，在這樣巨大的加速器中，一連串的電子流過真空管道，隨著微波輻射的爆發(fā)將粒子向前推動得越來越快，直到它們的速度接近光速，從而產(chǎn)生一個強(qiáng)大的光束。來自世界各地的科學(xué)家們都在用它來探測無機(jī)生物材料的原子和分子結(jié)構(gòu)。

圖 | SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室航拍圖（來源：Wiki）

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和 SLAC 的科學(xué)家們首次創(chuàng)建了一種可以加速電子的硅芯片，盡管速度僅是那種大型加速儀器的一小部分，但芯片的體積也只有傳統(tǒng)加速裝置結(jié)構(gòu)大小的十萬分之一，其中含有許多納米真空通道，當(dāng)粒子在其中通過時，會由紅外激光而不是傳統(tǒng)的微波來增能加速。

因?yàn)榧t外激光的波長比微波更短，所以可以在極短（不及頭發(fā)粗細(xì)）的范圍內(nèi)加速電子。目前，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊計劃利用該芯片將電子加速至光速的 94%。研究團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人、斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授 Jelena Vuckovic 在 1 月 3 日 的 Science 雜志上解釋了他們?nèi)绾卧诠枭系窨坛黾{米級通道，將其密封在真空中，并通過該腔體發(fā)射出紅外光脈沖。

Jelena Vuckovic 對媒體表示：“這個片上加速器只是一個原型，這種設(shè)計和制造技術(shù)可以擴(kuò)大規(guī)模，以提供足夠加速的粒子束，用以進(jìn)行化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)發(fā)現(xiàn)等方面的前沿實(shí)驗(yàn)，而無須借助大型加速器的力量。”這樣一來，就可以避免很多 “高射炮打蚊子” 的尷尬。

圖 | 放大了 2.5 萬倍的圖像顯示了芯片上的加速器的一部分，灰色結(jié)構(gòu)將紅外激光（黃色和紫色）聚焦在流經(jīng)中心通道的電子上（來源：Courtesy Neil Sapra）

逆向思維帶來成功設(shè)計

論文的第一作者、研究生 Neil Sapra 在論文中解釋了他們的團(tuán)隊如何讓芯片可以通過硅發(fā)射紅外光脈沖，并在恰當(dāng)?shù)臅r間、以恰當(dāng)?shù)慕嵌茸矒綦娮?，推動電子不斷加速?/p>

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們顛倒了設(shè)計過程。在傳統(tǒng)加速器中，比如 SLAC 的加速器，工程師們通常會草擬一個基本的設(shè)計，然后運(yùn)行仿真模擬，用物理的方式來安排微波爆發(fā)，以提供最大的加速度。但是，使用的微波在波長 4 英寸左右（約 10 厘米），而紅外線的波長卻只有人頭發(fā)的十分之一。

這種差異解釋了為什么與微波相比，紅外光可以在如此短的距離內(nèi)加速電子。不過這也意味著，該芯片的大小必須是傳統(tǒng)加速器結(jié)構(gòu)的十萬分之一。而這就需要一種基于硅集成光子學(xué)和光刻技術(shù)的工程新方法。

研究人員使用 Jelena Vuckovic 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出的 “逆設(shè)計算法” 解決了該問題。這種算法允許研究人員逆向工作，可以先具體指定他們希望芯片傳遞多少光能，并為軟件設(shè)置任務(wù)分配；再建議如何構(gòu)建合適的納米尺度結(jié)構(gòu)，來使光子與電子流進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕佑|。

圖 | 研究領(lǐng)導(dǎo)者、斯坦福大學(xué)黃仁勛全球領(lǐng)導(dǎo)力教授、電氣工程學(xué)教授 Jelena Vuckovic （來源：stanford.edu）

“有時候，逆設(shè)計可以給工程師們提出此前可能想不到的解決方案?！?SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、論文的合著者 R. Joel England 說道。

逆設(shè)計算法提出了一個看起來完全超乎想象的芯片布局。

想象一下，一個由硅蝕刻出的、被通道隔開的納米臺面。電子在通道中流動，就像一根由硅線組成的繩索，在溝壑縱橫的峽谷上穿過。每次激光脈沖（100,000 次 / 秒）都會使一束光子擊中一堆電子，使它們向前加速。而所有這些事情，都發(fā)生在一個比頭發(fā)還細(xì)的范圍下。

有望帶來新的癌癥放射療法

Vuckovic 表示：“最大的粒子加速器就和功能強(qiáng)大的天文望遠(yuǎn)鏡一樣，世界上只有少數(shù)幾個，科學(xué)家們必須到像 SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室這樣的地方來使用它們。而我們希望能以一種易于使用的工具方式來使加速器技術(shù)小型化。”

因此，團(tuán)隊成員把他們的方法類比為將大型計算主機(jī)發(fā)展為較小但仍然有用的臺式計算機(jī)的過程。

論文的合著者、物理學(xué)家 Robert Byer 說：“片上加速器的技術(shù)也可能帶來新的癌癥放射療法。因?yàn)檫@也涉及一個大小尺寸問題。如今，醫(yī)用 X 射線儀器占據(jù)了整個房間并發(fā)出難以聚焦在腫瘤上的輻射束，需要患者佩戴鉛罩來最大程度地減少附帶損害。”

“在這篇論文中，我們開始展示如何將電子束輻射直接傳送到腫瘤，而不影響健康組織?！?他補(bǔ)充道。Robert Byer 也是 “芯片上加速器國際計劃（AChIP）” 的領(lǐng)導(dǎo)者，該計劃專注于打造硅基電子加速器。這項(xiàng)多學(xué)科、多機(jī)構(gòu)合作的計劃，目標(biāo)是在芯片上生成具有 1 MeV 能量的電子脈沖，產(chǎn)生飛秒到阿秒（1×10?15 秒到 1×10?18 秒）的脈沖。

研究人員希望將電子加速到光速的 94％，即一百萬電子伏（1 MeV），這樣能產(chǎn)生足以用于研究或醫(yī)學(xué)目的的粒子流。目前，該原型芯片僅能提供單級加速，且電子流需要通過大約 1,000 個這樣的 “單級” 才可能達(dá)到 1 MeV。

（來源：Pixabay ）

但 Vuckovic 對此表示，這并不會讓人望而生畏，因?yàn)樵撛推系募铀倨魇且粋€完整的集成電路。這意味著創(chuàng)建加速所需的所有關(guān)鍵功能都直接內(nèi)置在芯片中，因此增加相應(yīng)的功能應(yīng)該并不困難。

他們計劃在 2020 年年底之前，在大約一英寸的芯片空間中封裝出 1000 個加速階段，以達(dá)到 1 MeV 的目標(biāo)。如果成功，這將會是一個重要的里程碑，但這種設(shè)備的功率仍無法與 SLAC 研究加速器的功能相提并論。因?yàn)楹笳呖僧a(chǎn)生比 1 MeV 高 3 萬倍的能量。

Byer 認(rèn)為，就像晶體管最終取代電子設(shè)備中的真空管一樣，基于光的設(shè)備終將有一天會挑戰(zhàn)微波驅(qū)動加速器的功能。

同時，由于期望在芯片上開發(fā) 1 MeV 加速器，論文的合著者之一、電氣工程師 Olav Solgaard 已經(jīng)開始著手研究潛在的抗癌應(yīng)用。目前，高能電子因會灼傷皮膚，并沒有用于放射治療。Solgaard 正在研究一種方法，試圖通過使用粒子束像外科手術(shù)一樣進(jìn)行放射療法。

“或可將來自芯片大小加速器的高能電子通過導(dǎo)管狀真空管的引導(dǎo)，插入皮膚下方，直達(dá)腫瘤旁邊。” Solgaard 說，“除了研究應(yīng)用之外，我們還可以從加速器技術(shù)的小型化中獲得醫(yī)學(xué)利益?！?/p>

來源：MIT科技評論