Eine 25.000-fache Vergrößerung des Silizium-Chip-Teilchenbeschleunigers

© Stanford University/Neil Sapra

Science
01/03/2020

Forscher bauen Teilchenbeschleuniger, der auf einen Chip passt

Diese Chips könnten Forschungsarbeiten beschleunigen und bei der Bekämpfung von Krebs helfen.

Der Teilchenbeschleuniger an der Stanford Universität ist 3 Kilometer lang. Der von CERN in der Schweiz hat einen Umfang von 26 Kilometer. Forscher haben es nun geschafft, einen Teilchenbeschleuniger zu bauen, der die Größe eines Chips hat, berichtet phys.org.

Die Forscher der Stanford Universität nennen das Programm ACHIP (Accelerator on a Chip International Program). Bei den großen Teilchenbeschleunigern wird Mikrowellenstrahlung genutzt, um die Teilchen zu beschleunigen. Die Wellenlänge von Mikrowellen beträgt bei diesen Tests bis zu 10 Zentimeter, weshalb die Röhren der Beschleuniger auch entsprechend lang sein müssen, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen.

Infrarotlicht

Bei ACHIP wird stattdessen Infrarotlicht genutzt. Dieses hat eine Wellenlänge, die etwa einem Zehntel der Breite eines menschlichen Haars entspricht. Dadurch können die Teilchen auf viel kürzere Distanzen beschleunigt werden. Das heißt aber auch, dass die Infrastruktur nahezu 100.000 mal kleiner sein muss, als bei einem regulären Teilchenbeschleuniger.

Die Forscher nutzen dazu einen Silizium-Chip, der in einem Vakuum versiegelt wird. Infrarotlicht durchdringt Silizium, ähnlich wie sichtbares Licht Glas durchdringt. Auf den Chip wurde ein Kanal geätzt, der kleiner als ein menschliches Haar breit ist. In dem Kanal sind Elektronen. Ein Laser, der pro Sekunde 100.000 mal pulsiert, erzeugt Photonen, die wiederum die Elektronen beschleunigen. Dies muss genau im richtigen Zeitpunkt und im richtigen Winkel passieren.

Mehr Leistung

Das Ziel der Forscher ist es, die Elektronen auf 94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dies entspricht einer Millionen Elektronenvolt (1 MeV). Erst mit dieser Leistung ist der Chip stark genug, um für Forschung und Medizin eingesetzt zu werden. Derzeit kann der ACHIP nur eine Beschleunigungsstufe erzeugen.

Damit 1 MeV erreicht wird, sind etwa 1.000 Beschleunigungsstufen nötig. Laut den Forschern ist das weniger herausfordernd, als es klingt. Durch das Design des Chips sollte es relativ unkompliziert sein, die Leistung zu erhöhen. Bis Ende 2020 wollen die Forscher dieses Ziel erreichen, auf einem Chip der etwa 2,5cm groß ist. 1 MeV ist allerdings immer noch sehr wenig. Der CERN-Teilchenbeschleuniger hat eine Leistung von mehreren Milliarden Elektronenvolt bis hin zu Billionen Elektronenvolt.

Miniaturisierung

Die Miniaturisierung ist dennoch ein großer Schritt für die Wissenschaft. Dadurch können mehr Forschungen mit Teilchenbeschleunigung durchgeführt werden, da die Chips keine kilometerlangen Tunnel und Röhren benötigen, deren Errichtung Milliarden Euro kosten. Die Forscher vergleichen es zudem damit, dass Transistoren in elektronischen Geräten die Vakuumröhren abgelöst haben und so die Miniaturisierung vorangetrieben haben. Eines Tages könnten demnach auch die lichtbasierten Teilchenbeschleuniger ihre riesigen Mikrowellen-Artgenossen für viele Anwendungen ablösen.

Bis dahin gibt es schon konkrete Ideen, um den 1 MeV ACHIP zu nutzen. Laut den Forschern könnte dieser verwendet werden, um gezielt Krebstumore zu bekämpfen. Elektronen werden derzeit nicht für die Strahlentherapie genutzt, weil sie die Haut verbrennen würden. Der ACHIP wäre allerdings klein genug, um ihn mit einer Art Katheter unter die Haut zu bringen. So kann ein Elektronenstrahl direkt auf den Tumor gerichtet werden.