如果您想到粒子加速器，可能会想到像欧洲核子研究中心 (CERN) 的 大型强子对撞机 (LHC) 那样的东西：这是一个耗资数十亿美元的庞然大物，跨度达数十英里，横跨国际边界，旨在揭示宇宙的运作方式。
但粒子加速器有多种形式。如今，全球有 超过 30,000 台加速器。虽然其中一些（包括 LHC）旨在揭示宇宙的秘密，但绝大多数都有更世俗的用途。它们用于从 产生明亮的光束 到 制造电子产品，再到 对人体进行成像和治疗癌症。事实上，一家医院 可以花 仅几十万美元购买一台房间大小的医疗加速器。而且，截至上个月，科学家们又增加了一项奇特的新成员：有史以来最小的粒子加速器。
物理学家们制造了一台硬币大小的加速器，并于 10 月 18 日在《自然》杂志上 发表 了他们的研究成果。这个装置只是一个技术演示，但它的创造者希望它能启发制造出更小的、可以装在硅芯片上的加速器。
“我绝对认为这篇论文包含了非常有趣和酷炫的物理学，而且这项工作已经进行了很长时间，”马里兰大学物理学家 Howard Milchberg 说，他并未参与这项研究。
这个迷你加速器不仅仅是一个小型的 LHC。根据其运行周期，LHC 会将质子或铅原子核在一条大圆圈中加速。而这个微型加速器则将电子直线加速。
许多其他的直线电子加速器也曾经存在过，包括最著名的、现已拆除的、长达两英里的 斯坦福直线对撞机。传统上，电子加速器通过将电子射入金属腔体来提高其速度，这些腔体通常由铜制成，其中包含跳动的电磁场。因此，这些腔体就像冲浪者在电波上一样推动粒子前进。
但一些物理学家认为，这些老式的加速器并非理想选择。金属腔体容易出现故障。它们也很笨重，需要大型设备。而研究人员的新型加速器则使用精确的激光脉冲来推动电子。
自 20 世纪 60 年代以来，物理学家们一直在尝试制造激光加速器。被称为光子加速器，指的是对光的研究，它们比基于腔体的加速器更小、成本效益更高。但直到过去十年，激光器才变得足够精确和经济实惠，即使是实验性的光子加速器也变得实用。
那么，将其做得更小，则带来了自己一系列艰巨的挑战。一个主要的障碍是，工程师们缺乏制造迷你加速器微小部件所需的高精度技术。
以研究人员试图建造的硬币大小的加速器为例。首先，它使用一个从电子显微镜改造的部件来产生电子。然后，该装置将电子推过一个“柱廊”：两排几百个硅柱，每个柱高仅 2 微米，两排之间有一个更小的间隙。激光照射到柱子的顶部，产生电场，从而加速被挤压在内部的电子——至少在理论上是这样。
“以足够高的精度制造如此小的特征非常困难，”德国埃尔朗根-纽伦堡的弗里德里希-亚历山大大学物理学家、该论文的作者之一 Tomáš Chlouba 说。“你需要顶级的设备……这些设备价格不菲，而且也不是 90 年代就能买到的。”
[相关：科学家在 LHC 设施中发现来自宇宙最初时刻的瞬逝粒子]
但芯片制造技术总是在进步。现在，Chlouba 和他的同事们可以依赖半导体制造领域中常见的技术。他们制作了一个成功的原型。该装置每秒只能输送大约 1 个电子，按粒子加速器的标准来看，这是一个微不足道的流量。（您家中普通设备内部的平均电线传输的电子数量是其数万亿倍。）此外，电子的能量与老式显像管电视机内的电子能量大致相同：同样，按粒子加速器的标准来看，这也是微不足道的。
“我不知道它有多实用，”Milchberg 说。他解释说，将更多电子挤进柱廊就像用霰弹枪射击来击中靶心一样。
事实上，Chlouba 明确表示，他和他的同事们离将这个加速器用于任何实际应用还有很长的路要走。如果他们想这样做，就需要制造更多的电子，并提高能量。Milchberg 说，还不清楚电子束是否能够一起通过柱廊而不会因其负电荷而相互排斥。
但如果研究人员成功克服了这些障碍，Chlouba 可以设想一系列粒子加速器的应用，这些加速器可以排列在标准的硅芯片上。医疗专业人员已经使用电子加速器来治疗皮肤癌。考虑到这一点，一些医生可能会设想一个足够小的加速器，可以通过内窥镜插入体内。“它更小、更便宜，而且无处不在，”Chlouba 说。
