微型芯片或将开启伽马射线激光器应用，攻克癌症治疗难题，探索多重宇宙奥秘

想象一种安全的伽马射线激光，它可以根除癌细胞而不损害健康组织。或者一种工具，通过揭示宇宙的基本结构，帮助确定斯蒂芬·霍金的多重宇宙理论是否真实。

电气工程助理教授 Aakash Sahai 博士取得了一项量子突破，可能帮助这些科幻构想成为现实，并因其可能彻底改变我们对物理学、化学和医学的理解而在量子学界引起了兴奋的涟漪。量子科学、材料和技术领域最具影响力的期刊之一《先进量子技术》认可了 Sahai 的工作，并将其研究作为其六月刊的封面文章。

“这非常令人兴奋，因为这项技术将开辟全新的研究领域，并对世界产生直接影响，”Sahai 说。“过去，我们有过推动我们前进的技术突破，例如亚原子结构催生了激光、计算机芯片和 LED。这项同样基于材料科学的创新，也遵循着同样的路线。”

工作原理

Sahai 找到了一种方法，能够在实验室中创造出前所未有的极端电磁场。这些电磁场——当材料中的电子以难以置信的高速振动和反弹时产生——为从计算机芯片到寻找暗物质证据的超级粒子对撞机等一切设备提供动力。迄今为止，要创造出足以进行高级实验的强磁场，需要庞大而昂贵的设施。例如，科学家们使用像位于瑞士的欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机这样的机器来追寻暗物质证据。为了容纳加速高能束流所需的射频腔和超导磁体，该对撞机长达 16.7 英里。在这种规模上运行实验需要巨大的资源，极其昂贵，并且可能非常不稳定。

Sahai 开发了一种基于硅的、类似芯片的材料，它能够承受高能粒子束，管理能量流，并让科学家得以利用由量子电子气的振荡或振动产生的电磁场——所有这些都集成在拇指大小的空间内。这种快速运动产生了电磁场。利用 Sahai 的技术，该材料管理了振荡产生的热流，并保持样品的完整和稳定。这为科学家提供了一种前所未有的方式来观察活动，并开启了将数英里长的对撞机缩小到芯片尺寸的可能性。

“在保持材料底层结构的同时操控如此高能流，这就是突破所在，”在 Sahai 实验室从事该项目的研究生 Kalyan Tirumalasetty 说。“这项技术突破可以真正改变世界。它关乎理解自然如何运作，并利用这些知识为世界带来积极影响。”

该技术和方法在科罗拉多大学丹佛分校（CU Denver）设计，并在由斯坦福大学运营、美国能源部资助的世界级设施——SLAC国家加速器实验室进行了测试。

该技术的应用

科罗拉多大学丹佛分校已经在美国和国际上为该技术申请并获得了临时专利。虽然实际应用可能还需要数年时间，但更好地理解宇宙如何运作并从而改善生活的潜力，正是激励 Sahai 和 Tirumalasetty 在实验室和 SLAC 长时间工作的原因。

“伽马射线激光可能成为现实，”Sahai 说。“我们可以将组织成像深入到不仅细胞的细胞核层面，更能深入到构成原子的原子核层面。这意味着科学家和医生将能够观察在核层面发生的情况，这可以加速我们对在如此微小尺度上起主导作用的巨大力量的理解，同时也能带来更好的医疗手段和治愈方法。最终，我们可以开发出伽马射线激光来修改原子核，并在纳米级别去除癌细胞。”

这种极端等离子体激元技术也可以帮助检验关于我们宇宙如何运作的广泛理论——从多重宇宙的可能性到探索我们宇宙的基本结构。这些可能性让 Tirumalasetty 感到兴奋，他曾想过成为一名物理学家。“探索自然及其在基本尺度上的运作方式，这对我非常重要，”他说。“但工程师为科学家提供工具，让他们不仅能理解，还能做得更多。而这……是令人振奋的。”

这两位研究者的下一步计划是今年夏天重返 SLAC，继续完善硅芯片材料和激光技术。与电影中不同，开发突破性技术可能需要数十年时间。事实上，一些导致这一关键时刻的基础性工作始于 2018 年，当时 Sahai 发表了他关于反物质加速器的第一篇研究。“这将需要一段时间，但在我有生之年，这是非常可能的，”Sahai 说。

关于研究者

Aakash Sahai 拥有杜克大学等离子体物理学博士学位、斯坦福大学电气工程硕士学位和印第安纳大学伯明顿分校物理学硕士学位。他是科罗拉多大学丹佛分校工程、设计与计算学院电磁学、等离子体与计算组的成员。在 2018 年加入科罗拉多大学丹佛分校之前，他曾在伦敦帝国理工学院担任研究助理，并在私营部门担任研发职务。Sahai 在同行评审期刊上发表了十多篇文章，并经常在 SLAC、CERN 和美国物理学会的活动中发表演讲。他还担任多个科学期刊的审稿人。

Kalyan Tirumalasetty 正在科罗拉多大学丹佛分校攻读电气工程博士学位和电气工程硕士学位，并拥有尼赫鲁科技大学 Anurag 工程学院电子与通信工程技术学士学位。在攻读硕士学位期间，他作为 Sahai 的研究助理在 SLAC 开发了这项技术装置。