Introduzione

Su una collina sopra la Stanford University, lo SLAC National Accelerator Laboratory gestisce uno strumento scientifico lungo quasi 2 miglia. In questo gigantesco acceleratore, un flusso di elettroni scorre attraverso un tubo del vuoto, mentre esplosioni di radiazioni a microonde spingono le particelle sempre più velocemente in avanti fino a quando la loro velocità si avvicina alla velocità della luce, creando un raggio potente che gli scienziati di tutto il mondo usano per sondare le strutture atomiche e molecolari di materiali inorganici e biologici.

Ora, per la prima volta, gli scienziati di Stanford e SLAC hanno creato un chip di silicio in grado di accelerare gli elettroni – anche se a una frazione della velocità di quello strumento – utilizzando un laser a infrarossi. In pratica sono riusciti a creare il primo acceleratore di particelle in miniatura su un chip di silicio.

Nano-tunnel di silicio

Nel numero di Science del 3 gennaio, sotto la guida di Jelena Vuckovic, 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”, proprio come fa la luce con il vetro, imprimendo la giusta energia alle particelle in uno spazio piccolo quanto un capello.

Naturalmente l’accelerazione degli elettroni non è paragonabile a quella ottenibile nei grandi impianti, come il Large Hadron Collider. Va precisato, infatti, che trattasi solo di un prototipo ma la Vuckovic ha affermato che le sue tecniche di progettazione e fabbricazione possono essere ridimensionate per fornire fasci di particelle sufficientemente accelerati da eseguire esperimenti all’avanguardia in chimica, scienza dei materiali e scoperta biologica che don non richiede la potenza di un enorme acceleratore.

I più grandi acceleratori sono come potenti telescopi. Ce ne sono solo pochi al mondo e gli scienziati devono venire in questi posti per usarli”, ha affermato Vuckovic. “Vogliamo miniaturizzare la tecnologia dell’acceleratore in modo da renderla uno strumento di ricerca più accessibile“.

Ingegneria inversa

Nel loro articolo, Vuckovic e Neil Sapra, spiegano come il team ha costruito un chip che spara impulsi di luce infrarossa attraverso il silicio per colpire gli elettroni al momento giusto e con l’angolazione giusta, per farli avanzare in modo più veloce.

A tale scopo, hanno capovolto il processo di progettazione. In un acceleratore tradizionale, come quello dell’SLAC, gli ingegneri generalmente redigono un progetto di base, quindi eseguono simulazioni per organizzare fisicamente le esplosioni a microonde per fornire la massima accelerazione possibile. Ma le microonde 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 umano. 

Questa differenza spiega perché la luce infrarossa può accelerare gli elettroni a distanze così brevi rispetto alle microonde. Ma ciò significa anche che le caratteristiche fisiche del chip devono essere 100.000 volte più piccole delle strutture in rame in un acceleratore tradizionale. Ciò richiede un nuovo approccio all’ingegneria basato sulla fotonica e sulla litografia integrate al silicio.

Il team di Vuckovic ha risolto il problema utilizzando algoritmi di progettazione inversa sviluppati dal suo laboratorio. Questi algoritmi hanno permesso ai ricercatori 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 dichiarato R. Joel England, scienziato dello SLAC e coautore del documento.

Avvicinarsi alla velocità della luce

I ricercatori vogliono accelerare gli elettroni al 94 percento della velocità della luce (1MeV), per creare un flusso di particelle abbastanza potente per scopi medici o di ricerca. Questo prototipo di chip fornisce solo un singolo stadio di accelerazione e il flusso di elettroni dovrebbe passare attraverso circa 1.000 di questi stadi per raggiungere 1MeV. Ma non è così scoraggiante, secondo Vuckovic, perché questo prototipo di acceleratore su un chip è un circuito completamente integrato. Ciò significa che tutte le funzioni essenziali necessarie per creare l’accelerazione sono integrate direttamente nel chip e aumentarne le capacità dovrebbe essere ragionevolmente semplice.

I ricercatori hanno in programma di inserire un migliaio di stadi di accelerazione in circa un centimetro di spazio per i chip entro la fine del 2020 per raggiungere il loro obiettivo. Sebbene ciò costituirebbe una pietra miliare importante, un dispositivo del genere impallidirebbe al pari delle capacità dell’acceleratore di ricerca SLAC, che può generare livelli di energia 30.000 volte superiori a 1 MeV. Ma Byer ritiene che, proprio come i transistor alla fine hanno sostituito i tubi a vuoto nell’elettronica, un giorno i dispositivi basati sulla luce metteranno alla prova le capacità degli acceleratori a microonde.

Combattere i tumori

Nel frattempo, in previsione dello sviluppo di un acceleratore 1MeV su un chip, l’ingegnere elettrico Olav Solgaard, coautore del documento, ha già iniziato a lavorare su una possibile applicazione per combattere il cancro. Oggi, gli elettroni altamente energizzati non vengono utilizzati per la radioterapia perché brucerebbero la pelle. Solgaard sta lavorando a un modo per incanalare elettroni ad alta energia da un acceleratore di dimensioni di un chip attraverso un tubo a vuoto simile a un catetere che potrebbe essere inserito sotto la pelle, proprio accanto a un tumore, usando il fascio di particelle per somministrare chirurgicamente la radioterapia.

Siamo in grado di trarre benefici medici dalla miniaturizzazione della tecnologia dell’acceleratore oltre alle applicazioni di ricerca“, ha affermato Solgaard.

La tecnologia dell’acceleratore su chip potrebbe anche portare a nuove terapie contro il cancro, ha affermato il fisico Robert Byer, coautore del documento Science. Ancora una volta, è una questione di dimensioni. Oggi, le macchine a raggi X mediche riempiono una stanza e forniscono un raggio di radiazione che è difficile concentrarsi sui tumori, richiedendo ai pazienti di indossare scudi di piombo per ridurre al minimo i danni collaterali.

In questo documento iniziamo a mostrare come potrebbe essere possibile erogare radiazioni in fasci di elettroni direttamente su un tumore, lasciando inalterato il tessuto sano“, ha detto Byer.