Các nhà khoa học đã thành công trong việc chế tạo máy gia tốc hạt siêu nhỏ: kích thước chỉ nhỏ bằng nửa sợi tóc, được gắn trên một con chip

“Hãy nhìn vào bản thiết kế của chip này đi, không ai có thể tưởng tượng ra được nó cả”, như một kỹ sư đã nhận xét.

Máy Gia tốc hạt Lớn (Large Hadron Collider - LHC) là một công trình vĩ đại nằm dưới lòng đất, có chu vi lên đến 27 km, là biểu tượng của khoa học hiện đại và đã tốn hàng tỷ USD để xây dựng và vận hành. Bằng LHC, chúng ta có thể khám phá sâu hơn về vật lý hạt - nghiên cứu về cấu trúc và tương tác bên trong của mọi vật chất.

Và các nhà khoa học vừa đạt được một thành công... nhưng ở chiều ngược lại về kích thước: họ đã tạo ra một máy gia tốc hạt với kích thước chỉ 30 micromét, dày hơn nửa sợi tóc con người.

Cấu trúc siêu nhỏ này là một trong những tiến bộ mới nhất trên con đường phát triển 'máy gia tốc đặt trên chip', một công nghệ có thể mang lại các đột phá trong nhiều lĩnh vực khoa học như vật lý, hóa học và y học (đặc biệt là trong việc sản xuất thuốc). Một trong những máy nhỏ này có tên là Máy gia tốc Laser Điện môi - Dielectric Laser Accelerator (DLA), sẽ mở ra cánh cửa cho các máy gia tốc giá rẻ hơn, nhẹ hơn và hoạt động ở mức năng lượng thấp hơn so với các máy gia tốc khổng lồ hiện nay. Các ứng dụng tiềm năng có thể bao gồm thiết bị tia X, thiết bị phóng xạ trong điều trị ung thư, thiết bị quét sử dụng trong công nghiệp và nhiều hơn nữa.

“Ban đầu, ý tưởng là thu nhỏ kích thước của máy gia tốc hạt”, Neil Sapra, tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên tạp chí 

Những thử nghiệm trước đó đã chỉ ra rằng một nguồn sáng có thể tăng tốc hạt ở quy mô vi mô. Thiết bị mới được phát triển dựa trên lý thuyết đó và được cải tiến ở nhiều điểm thông qua một thiết kế mới, có khả năng tăng tốc hạt lên đến 94% tốc độ của ánh sáng.

“Điều quan trọng của nghiên cứu này là thiết bị của chúng tôi là ví dụ đầu tiên về một con chip chứa máy gia tốc laser điện môi”, nhà nghiên cứu Sapra nói. “Đây là hướng đi tới những hệ thống quy mô lớn hơn, với tiềm năng phát triển mạnh mẽ hơn nữa”.

Nhóm các nhà khoa học đã đạt được đột phá này thông qua “thiết kế đảo ngược photon”, tức là họ đã tạo ra thiết kế máy gia tốc nhờ một máy tính sử dụng thuật toán tối ưu, dựa trên quan sát hành vi của hạt photon ở mức độ nano.

Thiết kế máy gia tốc sử dụng một con chip có bề mặt phẳng và nhiều rãnh để định hướng electron. Khi áp dụng tia laser hồng ngoại vào bề mặt chip, electron sẽ được tăng tốc và nhận được lượng năng lượng khoảng 1 kiloelectrovolt - 1 KeV.

“Hãy nhìn vào thiết kế của con chip này đi, không ai có thể nghĩ ra nó được cả”, nhà nghiên cứu Sapra nói. “Tôi không thể nào nghĩ ra được nếu không có việc áp dụng kỹ thuật đảo ngược photon, bởi việc tìm ra thiết kế này quá khó khăn nếu tuân theo cách tiếp cận truyền thống”.

Trong thời điểm hiện tại, thiết kế DLA vẫn còn hạn chế, quy mô của máy phải được mở rộng thêm 1.000 lần nữa để đạt được mức megaelectrovolt - mức hoạt động của các máy gia tốc hạt. Đội ngũ nghiên cứu ước tính rằng họ sẽ mất khoảng 5 đến 10 năm để tạo ra một nguyên mẫu đầu tiên của máy gia tốc hạt cỡ nhỏ, giúp giảm chi phí và nâng cao độ chính xác trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, đặc biệt là y học.

“Các mạch điện photon này cũng dựa trên nguyên lý của ngành công nghiệp điện tử, vì vậy đây không phải là việc tạo ra một máy nhỏ hơn, mà là việc giảm giá thành cho thiết bị”, Sapra lý giải.

Xem thêm tại Vice