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STATI UNITI
24.01.2020 - 06:000

Costruito il primo acceleratore di particelle in miniatura

Un team di ricercatori è riuscito a dimostrare la possibilità di accelerare fasci di elettroni in un canale nanoscopiche ricavato in un

La maggior parte di noi ormai conoscerà il famoso Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle che gli scienziati del CERN di Ginevra vorrebbero utilizzare per cercare la materia oscura. Tale strumento di ricerca è estremamente utile e potente, ma ha un difetto: è davvero enorme. Ora, però, gli scienziati dell'Università di Stanford e dello SLAC National Accelerator Laboratory, negli Stati Uniti, sono riusciti per la prima volta a creare un chip di silicio in grado di accelerare gli elettroni utilizzando un laser ad infrarossi. In sostanza, hanno realizzato il primo acceleratore di particelle in miniatura su un chip di silicio.

Nano-tunnel di silicio
Lo studio è stato pubblicato il 3 gennaio di quest’anno sulla rivista Science. Sotto la guida di Jelena Vuckovic, della Stanford University, e nell’ambito del progetto Accelerator on a Chip International Program (ACHIP), i ricercatori hanno creato l’acceleratore in miniatura scavando un nano-tunnel di silicio nel quale gli elettroni corrono nel vuoto, spinti dagli impulsi di un laser a infrarossi che attraversano le pareti della struttura, imprimendo la giusta energia alle particelle in uno spazio più piccolo di un capello.

Naturalmente, gli elettroni vengono accelerati a una velocità che non è paragonabile a quella dei grandi acceleratori. Va precisato, infatti, che si tratta solo di un prototipo, ma i ricercatori sostengono che il sistema potrà essere ridimensionato quanto basta per ottenere velocità utili a condurre innovativi esperimenti di laboratorio in biologia, chimica e scienze dei materiali, dove non è richiesta la potenza di un enorme acceleratore.
Come ha affermato la Vuckovic: «I grandi acceleratori sono come dei telescopi molto potenti. Ci sono pochi esemplari al mondo e gli scienziati devono andare in posti come SLAC (l'acceleratore lineare di Stanford) per utilizzarli. Vogliamo miniaturizzare la tecnologia degli acceleratori, per renderli degli strumenti di ricerca più accessibili».

Progettazione inversa
Il team di ricerca è riuscito ad ottenere tale risultato attraverso un approccio di progettazione inverso rispetto ai grandi acceleratori, dove i fasci di particelle corrono in tubi a vuoto per alcuni chilometri, con impulsi di microonde che li accelerano sempre di più, fino a raggiungere velocità prossime a quella della luce.
In un acceleratore tradizionale, gli ingegneri generalmente redigono un progetto di base, poi eseguono delle simulazioni per organizzare fisicamente le esplosioni a microonde per dare la massima accelerazione possibile. Le microonde, però, misurano 4 pollici dal picco alla depressione, mentre la luce a infrarossi ha una lunghezza d’onda di un decimo della larghezza di un capello.
Questo spiega perché la luce infrarossa può accelerare gli elettroni a distanze davvero brevi rispetto alle microonde, ma ciò significa che le caratteristiche fisiche del supporto devono essere 100.000 volte più piccole rispetto alle strutture in rame in un acceleratore tradizionale.
Per risolvere il problema, i ricercatori hanno adoperato algoritmi di progettazione inversa sviluppati in laboratorio. Tali algoritmi hanno consentito al team della Vuckovic di lavorare a ritroso, specificando quanta energia luminosa volevano fornire al chip e incaricando il software a suggerire come costruire le giuste strutture su nanoscala necessarie per portare i fotoni a contatto con il flusso di elettroni.
«A volte, i progetti inversi possono produrre soluzioni a cui un ingegnere umano potrebbe non aver pensato», ha affermato R. Joel England, ricercatore dello SLAC e coautore del documento.

Arrivare quasi alla velocità della luce
Gli scienziati hanno ora intenzione di accelerare gli elettroni al 94% della velocità della luce (1MeV), allo scopo di creare un flusso di particelle abbastanza potente per fini medici o di ricerca. Questo prototipo di chip fornisce al momento solo un singolo stadio di accelerazione e il flusso di elettroni dovrebbe passare attraverso circa 1.000 di questi stadi per raggiungere 1MeV. Ma la Vuckovic è ottimista perché questo prototipo di acceleratore su un chip è un circuito completamente integrato e quindi possiede tutte le funzioni essenziali per creare l’accelerazione. Aumentarne così la capacità non dovrebbe risultare troppo complicato. Il prossimo obbiettivo per la fine del 2020 è quello di inserire un migliaio di stadi di accelerazione in circa un centimetro di spazio per un unico chip grande quanto un pollice.

Lotta contro i tumori
Nel frattempo, l’ingegnere elettrico Olav Solgaard, coautore dello studio, ha già iniziato a lavorare su una possibile applicazione per combattere il cancro. Oggi, infatti, gli elettroni altamente energizzati non sono utilizzati per la radioterapia poiché brucerebbero la pelle. Solgaard, invece, sta lavorando a un modo per incanalare elettroni ad alta energia da un acceleratore delle dimensioni di un chip attraverso un tubo a vuoto che potrebbe essere inserito sotto la pelle, proprio vicino al tumore, e poter così usare il fascio di particelle per somministrare chirurgicamente la radioterapia. Sta, in pratica, tentando di sviluppare dei mini acceleratori per colpire i tumori con una radioterapia più mirata e meno invasiva.
«Siamo in grado di trarre benefici medici dalla miniaturizzazione della tecnologia dell’acceleratore oltre alle applicazioni di ricerca», ha affermato Solgaard.

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Ultimo aggiornamento: 2020-02-25 14:11:11 | 91.208.130.85