Các nhà khoa học chế tạo được máy gia tốc hạt tí hon: chỉ nhỏ bằng nửa sợi tóc, đặt vừa trên một con chip

LCH bên trái và DLA bên phải.

Máy Gia tốc hạt Lớn (Large Hadron Collider - LHC) là công trình khổng lồ nằm ngầm dưới đất, có chu vi tới 27 km, là kỳ quan của khoa học hiện đại và tốn hàng tỷ USD để xây dựng và vận hành. Bằng LHC, chúng ta đào sâu nghiên cứu vật lý hạt - ấy chính là đi tìm cấu trúc và tương tác bên trong của mọi thứ ta đang biết.

Và các nhà khoa học vừa thực hiện được một công trình … trái ngược về mặt kích cỡ: họ làm ra được một máy gia tốc hạt có kích cỡ chỉ 30 micromét, dày hơn nửa sợi tóc con người một chút.

Cấu trúc tí hon này là một trong những thành tựu mới nhất trên con đường xây dựng “máy gia tốc đặt trên chip - accelerator-on-a-chip”, một máy gia tốc hạt siêu nhỏ có thể tạo ra đột phá trong khoa học vật chất, hóa học và y học (cụ thể là trong chế tạo thuốc). Cỗ máy nhỏ có tên Máy gia tốc Laser Điện môi - Dielectric Laser Accelerator (DLA) sẽ mở đường cho những cỗ máy gia tốc rẻ tiền hơn, kích cỡ gọn nhẹ hơn và hoạt động được ở mức năng lượng của máy gia tốc hạt khổng lồ ở thời điểm hiện tại. Những ứng dụng có thể có bao gồm thiết bị X-quang, thiết bị bức xạ sử dụng trong chữa trị ung thư, thiết bị quét dùng trong công nghiệp và nhiều hơn nữa.

“Ý tưởng ban đầu là giảm kích cỡ của máy gia tốc hạt lại”, Neil Sapra, tác giả chính của nghiên cứu mới được đăng tải trên Science, trả lời phỏng vấn qua điện thoại với Vice. 

Một sợi carbon đường kính 6 micromet đặt cạnh sợi tóc đường kính 50 micromet.

Những thử nghiệm trước đây cho thấy rằng một nguồn sáng có thể tăng tốc hạt ở quy mô hiển vi. Thiết bị mới được phát triển dựa trên nền tảng lý thuyết đó và rồi cải tiến ở nhiều điểm bằng một thiết kế mới, có khả năng bắn hạt đi với tốc độ 94% tốc độ ánh sáng. 

“Điều quan trọng của nghiên cứu này, đó 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 con đường dẫn tới những hệ thống quy mô lớn hơn, với khả năng lớn hơn nữa”.

Nhóm các nhà khoa học có thể đạt được đột phá này với “thiết kế đảo ngược photon”, tức là họ có được thiết kế máy gia tốc nhờ một máy tính sử dụng thuật toán tối ưu, khi quan sát hành vi của hạt photon ở quy mô nano. 

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

Một phần máy gia tốc được phóng to 25.000 lần.

“Cứ nhìn vào thiết kế chip này mà xem, chẳng kỹ sư người trần mắt thịt nào nghĩ ra được nó cả”, anh Sapra nói. “Tôi không nghĩ mình làm được nếu không ứng dụng kỹ thuật đảo ngược photon bởi lẽ việc tìm ra thiết kế này quá ư khó, nếu như cứ áp dụng cách cũ”.

Ở thời điểm hiện tại, thiết kế DLA vẫn còn yếu, quy mô của máy phải gấp 1.000 lần nữa thì máy gia tốc này mới chạm được mốc megaelectrovolt - mức hoạt động của các máy gia tốc hạt. Đội ngũ nghiên cứu nghĩ rằng họ sẽ mất khoảng 5 tới 10 năm để tạo nên được nguyên mẫu đầu tiên của máy gia tốc hạt cơ nhỏ, nó sẽ giảm giá thành và tăng được độ chính xác của rất nhiều ngành nghiên cứu, đặc biệt là y học.

“Những mạch điện photon này cũng dựa trên nguyên lý của ngành công nghiệp điện tử, nên đây chẳng phải nỗ lực tạo ra một cỗ máy nhỏ hơn, đây là cố gắng giảm giá thành thiết bị”, Sapra nói.

Tham khảo Vice