Third party funded individual grant
Acronym: AccelOnChip
Start date : 01.10.2020
End date : 30.09.2025
Particle accelerators that propel fundamental particles to very high speeds have opened a new window to the building blocks of the universe. Currently, almost all ground-breaking revelations have come from the very few and very large particle accelerators around the world. Shrinking these devices to hand-held portable systems will not only make them accessible to thousands of labs, thus accelerating research, but also pave the way for important applications in fields ranging from healthcare and security to environmental protection. The EU-funded AccelOnChip project is on its way to delivering a miniature particle accelerator on an integrated photonics chip. This work will revolutionise accelerator-based research and applications, placing Europe at the forefront of an emerging scientific and technological field of high socio-economic relevance.
Aufbauend auf unserer Demonstration der lasergesteuerten nanophotonischen Teilchenbeschleunigung schlagen wir vor, einen Miniatur-Teilchenbeschleuniger auf einem Photonenchip zu bauen, der eine Hochgradientenbeschleunigung und eine vollständig optische, feldbasierte Elektronenkontrolle umfasst. Der resultierende Elektronenstrahl hat hervorragende Raum-Zeit-Eigenschaften: Er wird auf Sub-Femtosekunden-Zeitskalen gebündelt, ist nanometergroß und kohärent. Wir wollen diese neue Form der rein optischen Kontrolle freier Elektronen in einem breit angelegten Forschungsprogramm mit fünf spannenden Zielen nutzen:
(1) Bau eines 5-MeV-Beschleunigers auf einem photonischen Chip in einem schuhkartongroßen Gefäß,
(2) Durchführung ultraschneller Beugung mit Elektronenpulsen im Attosekunden- und sogar Zeptosekundenbereich,
(3) Erzeugung von Photonen auf dem Chip bei verschiedenen Wellenlängen (IR bis Röntgenstrahlung),
(4) quantenkohärente Kopplung von Elektronenwellenpaketen und Licht in mehreren Wechselwirkungszonen und
(5) Durchführung von strahlenbiologischen Experimenten, ähnlich wie bei der neuen FLASH-Strahlentherapie und der Microbeam-Zell-Behandlung.
AccelOnChip wird fünf wissenschaftliche Ziele ermöglichen, die den Horizont des heutigen Wissens und der Fähigkeiten im Bereich der ultraschnellen Elektronenabbildung, der Photonenerzeugung, der (Quanten-)Elektronen-Licht-Kopplung und der Strahlentherapie drastisch verschieben können. Darüber hinaus verspricht AccelOnChip die Demokratisierung von Beschleunigern: Der Beschleuniger auf einem Chip wird auf einer kostengünstigen Nanofabrikationstechnologie basieren. Wir gehen davon aus, dass jedes Universitätslabor Zugang zu Teilchen- und Lichtquellen haben wird, die heute nur in großen Einrichtungen verfügbar sind. Schließlich wird AccelOnChip entscheidende Schritte in Richtung eines ultrakompakten Elektronenstrahl-Bestrahlungsgeräts machen, das in die Spitze eines Katheters eingesetzt werden kann, ein potenziell bahnbrechendes Strahlentherapiegerät, das neue Behandlungsformen ermöglicht. AccelOnChip ist ein interdisziplinäres Projekt mit hohem Risiko und hohem Ertrag, das Nanophotonik, Beschleunigerwissenschaft, ultraschnelle Physik, Materialwissenschaft, kohärente Licht-Materie-Kopplung, Lichterzeugung und Radiologie miteinander verbindet und davon profitiert - und auf dem einzigartigen Fachwissen basiert, das meine Gruppe in den letzten Jahren erworben hat.
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