칩 위의 입자 가속기

(This image, magnified 25,000 times, shows a section of a prototype accelerator-on-a-chip. The segment shown here are one-tenth the width of a human hair. The oddly shaped gray structures are nanometer-sized features carved in to silicon that focus bursts of infrared laser light, shown in yellow and purple, on a flow of electrons through the center channel. As the electrons travel from left to right, the light focused in the channel is carefully synchronized with passing particles to move them forward at greater and greater velocities. By packing 1,000 of these acceleration channels onto an inch-sized chip, Stanford researchers hope to create an electron beam that moves at 94 percent of the speed of light, and to use this energized particle flow for research and medical applications. Credit: Neil Sapra)

 스탠포드 대학과 SLAC 국립 가속기 연구소 (Stanford University, the SLAC National Accelerator Laboratory)의 과학자들이 실리콘 칩 위에 사람 머리카락 굵기보다 작은 입자 가속기를 구현하는데 성공했습니다. 통상적인 입자 가속기는 크면 클수록 입자를 더 빠르게 가속해서 충돌시킬 수 있기 때문에 더 크게 건설하는 것이 일반적입니다. 하지만 스탠포드 대학의 젤레나 부코빅 (Jelena Vuckovic)은 반대의 일에 도전했습니다. 

 연구팀은 실리콘 통합 광학 및 리소그래피(silicon integrated photonics and lithography) 기술을 접목해서 실리콘 칩 위에서 입자를 가속하는 연구에 도전했습니다. 기본적으로 입자 가속은 마이크로웨이브로 전자에 에너지를 더하는 방식으로 이뤄지는데, 마이크로파는 너무 파장이 길기 때문에 연구팀은 적외선을 이용해서 진공 실리콘 채널에서 전자를 가속했습니다. 적외선 레이저를 초당 10만회 조사해서 만들어낸 입자 가속기는 사람 머리카락 굵기보다 작은 크기이지만, 의료용이나 연구용으로 사용하기에 충분한 에너지를 지니고 있습니다. 

 연구팀이 생각하는 응용 범위는 다양합니다. 대표적인 것은 종양 치료입니다. 현재의 방사선 치료는 방사선을 종양이 있는 지점에 집중시키는 방식으로 이뤄집니다. 칩 위의 가속기 (accelerator-on-a-chip)가 현실화되면 작은 주사바늘이나 소형 기기만으로 고에너지 입자를 발사해 종양을 더 간편하게 파괴할 수 있습니다. 그 외에 고에너지 입자가 필요한 각종 실험도 더 간편하게 이뤄질 수 있습니다. 

 연구팀은 연말까지 입자 가속기의 성능을 높여 전자를 빛의 94%까지 가속하고 에너지를 1MeV까지 올릴 수 있기를 기대하고 있습니다. 과연 실용화될 수 있을지 결과가 주목됩니다. 

 참고 

"On-chip integrated laser-driven particle accelerator", Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aay5734

https://phys.org/news/2020-01-particle-chip.html