芯片上的粒子加速器问世！斯坦福团队：有望用以精准轰击肿瘤

　　中国公众接触并了解粒子加速器，或许要感谢杨振宁与丘成桐关于“中国现在是否需要大型粒子加速器”的持久辩论。

　　最早科学家发现，把粒子加速到接近光速，再让它们对撞，就可以获取到大量微观粒子。而基于加速器的粒子物理研究，引领了对物质根本结构的研究。而杨振宁反对是因为，他认为大型对撞机的建设就好比 “军备竞赛” 一样，设备需要一步步升级，投入的资金也要越来越多，并且维护设备也需要巨额的费用。

　　同时，杨振宁也表示，不建超大对撞机，高能物理仍然有其他方向值得探索。

　　当中国陷于是否要上马更大型的超级对撞机争议之时，美国有研究团队在探索另一条路，并在加速器技术小型化的相关研究中取得初步成果。

　　今天，斯坦福大学的研究团队在 Science 杂志上展示了一种由硅芯片构建的加速器原型。就好比让一台普通台式计算机获得了一个塞满房间的大型主机的功能一般，研究人员将巨大的粒子加速器的部分功能封装在了硅芯片上。

　　这项研究出自 SLAC 国家加速器实验室，其位于斯坦福大学校园旁的山坡上，是美国能源部下属的国家实验室，由斯坦福大学运行管理。这里运行着约 3 公里长的科学仪器，在这样巨大的加速器中，一连串的电子流过真空管道，随着微波辐射的爆发将粒子向前推动得越来越快，直到它们的速度接近光速，从而产生一个强大的光束。来自世界各地的科学家们都在用它来探测无机生物材料的原子和分子结构。

SLAC 国家加速器实验室航拍图（来源：Wiki）

　　现在，斯坦福大学和 SLAC 的科学家们首次创建了一种可以加速电子的硅芯片，尽管速度仅是那种大型加速仪器的一小部分，但芯片的体积也只有传统加速装置结构大小的十万分之一，其中含有许多纳米真空通道，当粒子在其中通过时，会由红外激光而不是传统的微波来增能加速。

　　因为红外激光的波长比微波更短，所以可以在极短（不及头发粗细）的范围内加速电子。目前，斯坦福大学的研究团队计划利用该芯片将电子加速至光速的 94%。研究团队的负责人、斯坦福大学电气工程学教授 Jelena Vuckovic 在 1 月 3 日的 Science 杂志上解释了他们如何在硅上雕刻出纳米级通道，将其密封在真空中，并通过该腔体发射出红外光脉冲。

　　Jelena Vuckovic 对媒体表示：“这个片上加速器只是一个原型，这种设计和制造技术可以扩大规模，以提供足够加速的粒子束，用以进行化学、材料科学和生物学发现等方面的前沿实验，而无须借助大型加速器的力量。”这样一来，就可以避免很多 “高射炮打蚊子” 的尴尬。

放大了 2.5 万倍的图像显示了芯片上的加速器的一部分，灰色结构将红外激光（黄色和紫色）聚焦在流经中心通道的电子上（来源：Courtesy Neil Sapra）

　　一、逆向思维带来成功设计

　　论文的第一作者、研究生 Neil Sapra 在论文中解释了他们的团队如何让芯片可以通过硅发射红外光脉冲，并在恰当的时间、以恰当的角度撞击电子，推动电子不断加速。

　　为了实现这一点，他们颠倒了设计过程。在传统加速器中，比如 SLAC 的加速器，工程师们通常会草拟一个基本的设计，然后运行仿真模拟，用物理的方式来安排微波爆发，以提供最大的加速度。但是，使用的微波在波长 4 英寸左右（约 10 厘米），而红外线的波长却只有人头发的十分之一。

　　这种差异解释了为什么与微波相比，红外光可以在如此短的距离内加速电子。不过这也意味着，该芯片的大小必须是传统加速器结构的十万分之一。而这就需要一种基于硅集成光子学和光刻技术的工程新方法。

　　研究人员使用 Jelena Vuckovic 实验室开发出的 “逆设计算法” 解决了该问题。这种算法允许研究人员逆向工作，可以先具体指定他们希望芯片传递多少光能，并为软件设置任务分配；再建议如何构建合适的纳米尺度结构，来使光子与电子流进行适当的接触。

研究领导者、斯坦福大学黄仁勋全球领导力教授、电气工程学教授 Jelena Vuckovic （来源：stanford.edu）

　　“有时候，逆设计可以给工程师们提出此前可能想不到的解决方案。” SLAC 国家加速器实验室的科学家、论文的合著者 R. Joel England 说道。

　　逆设计算法提出了一个看起来完全超乎想象的芯片布局。

　　想象一下，一个由硅蚀刻出的、被通道隔开的纳米台面。电子在通道中流动，就像一根由硅线组成的绳索，在沟壑纵横的峡谷上穿过。每次激光脉冲（100,000 次 / 秒）都会使一束光子击中一堆电子，使它们向前加速。而所有这些事情，都发生在一个比头发还细的范围下。

　　二、有望带来新的癌症放射疗法

　　Vuckovic 表示：“最大的粒子加速器就和功能强大的天文望远镜一样，世界上只有少数几个，科学家们必须到像 SLAC 国家加速器实验室这样的地方来使用它们。而我们希望能以一种易于使用的工具方式来使加速器技术小型化。”

　　因此，团队成员把他们的方法类比为将大型计算主机发展为较小但仍然有用的台式计算机的过程。

　　论文的合著者、物理学家 Robert Byer 说：“片上加速器的技术也可能带来新的癌症放射疗法。因为这也涉及一个大小尺寸问题。如今，医用 X 射线仪器占据了整个房间并发出难以聚焦在肿瘤上的辐射束，需要患者佩戴铅罩来最大程度地减少附带损害。”

　　“在这篇论文中，我们开始展示如何将电子束辐射直接传送到肿瘤，而不影响健康组织。” 他补充道。Robert Byer 也是 “芯片上加速器国际计划（AChIP）” 的领导者，该计划专注于打造硅基电子加速器。这项多学科、多机构合作的计划，目标是在芯片上生成具有 1 MeV 能量的电子脉冲，产生飞秒到阿秒（1x10−15 秒到 1x10−18 秒）的脉冲。

　　研究人员希望将电子加速到光速的 94％，即一百万电子伏（1 MeV），这样能产生足以用于研究或医学目的的粒子流。目前，该原型芯片仅能提供单级加速，且电子流需要通过大约 1,000 个这样的 “单级” 才可能达到 1 MeV。

来源：Pixabay

　　但 Vuckovic 对此表示，这并不会让人望而生畏，因为该原型片上的加速器是一个完整的集成电路。这意味着创建加速所需的所有关键功能都直接内置在芯片中，因此增加相应的功能应该并不困难。

　　他们计划在 2020 年年底之前，在大约一英寸的芯片空间中封装出 1000 个加速阶段，以达到 1 MeV 的目标。如果成功，这将会是一个重要的里程碑，但这种设备的功率仍无法与 SLAC 研究加速器的功能相提并论。因为后者可产生比 1 MeV 高 3 万倍的能量。

　　Byer 认为，就像晶体管最终取代电子设备中的真空管一样，基于光的设备终将有一天会挑战微波驱动加速器的功能。

　　同时，由于期望在芯片上开发 1 MeV 加速器，论文的合著者之一、电气工程师 Olav Solgaard 已经开始着手研究潜在的抗癌应用。目前，高能电子因会灼伤皮肤，并没有用于放射治疗。Solgaard 正在研究一种方法，试图通过使用粒子束像外科手术一样进行放射疗法。

　　“或可将来自芯片大小加速器的高能电子通过导管状真空管的引导，插入皮肤下方，直达肿瘤旁边。” Solgaard 说，“除了研究应用之外，我们还可以从加速器技术的小型化中获得医学利益。”