微型芯片有望实现伽马射线激光器、攻克癌症疗法并探索多元宇宙

想象一种安全的伽马射线激光器，它能够根除癌细胞而不损伤健康组织。或者一种工具，通过揭示宇宙的基本结构，帮助判断斯蒂芬·霍金的多重宇宙理论是否真实。

电气工程助理教授阿卡什·萨海博士取得了一项量子突破，可能推动这些科幻构想的发展，并在量子领域引起轰动，因其具有革新我们对物理学、化学和医学理解的潜力。量子科学、材料与技术领域最具影响力的期刊之一《先进量子技术》认可了萨海的研究成果，并将其研究作为六月刊的封面文章。

"这非常令人兴奋，因为这项技术将开启全新的研究领域，并对世界产生直接影响，"萨海表示。"过去，我们有推动人类进步的技术突破，例如亚原子结构的发现催生了激光器、计算机芯片和LED。这项同样基于材料科学的创新，有着同样的深远意义。"

工作原理

萨海找到了一种在实验室中创造前所未有的极端电磁场的方法。这些电磁场——由材料中的电子以极高速度振动和反弹产生——为从计算机芯片到搜寻暗物质证据的超大型粒子对撞机等一切设备提供动力。在此之前，要产生足以进行高级实验的强场，需要庞大且昂贵的设施。例如，追寻暗物质证据的科学家们使用诸如位于瑞士的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机等设备。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。在此规模上运行实验需要庞大的资源，极其昂贵，且可能极不稳定。

萨海开发了一种硅基芯片状材料，它能承受高能粒子束，管理能量流动，并让科学家能够获取由量子电子气的振荡或振动产生的电磁场——所有这些都在约拇指大小的空间内实现。快速运动产生了电磁场。利用萨海的技术，该材料能管理振荡产生的热流，保持样本完整和稳定。这为科学家提供了一种前所未有的观测活动的方式，并开启了将数英里长的对撞机缩小到芯片尺寸的可能性。

"在操控如此高能量流的同时保持材料的基本结构，这就是突破所在，"萨海实验室参与该项目的研究生卡利安·蒂鲁马拉塞蒂说道。"这项技术突破能够真正改变世界。它关乎理解自然如何运作，并利用这些知识对世界产生积极影响。"

该技术和方法在科罗拉多大学丹佛分校设计，并在世界一流的设施——由斯坦福大学运营、美国能源部资助的SLAC国家加速器实验室进行了测试。

技术应用

科罗拉多大学丹佛分校已就该技术在美国及国际申请并获得了临时专利。虽然实际应用可能还需数年，但更好地理解宇宙运行规律并由此改善人类生活的潜力，正是驱动萨海和蒂鲁马拉塞蒂在实验室和SLAC长时间工作的动力。

"伽马射线激光器可能成为现实，"萨海说。"我们不仅能够对细胞核进行成像，还能对其组成原子的原子核进行成像。这意味着科学家和医生将能够观察核层面发生的情况，这既能加速我们对主宰如此微小尺度的巨大力量的理解，也能带来更有效的医疗方法和治愈手段。最终，我们可能开发出伽马射线激光器来修饰原子核并在纳米水平移除癌细胞。"

极端等离激元技术还有助于验证关于宇宙运行方式的众多理论——从多重宇宙的可能性到探索宇宙的基本结构。这些可能性令曾考虑成为物理学家的蒂鲁马拉塞蒂兴奋不已。"探索自然及其在基本尺度上的运作方式，这对我来说非常重要，"他说。"但工程师为科学家提供的工具不仅限于理解。那……那才是令人振奋的。"

这对搭档的下一步计划是今年夏天重返SLAC，继续改进硅芯片材料和激光技术。与电影不同，开发突破性技术可能需要数十年。事实上，一些促成这一关键时刻的基础性工作始于2018年，当时萨海发表了关于反物质加速器的首篇研究论文。"这需要时间，但在我的有生之年，这是非常可能的，"萨海说。

关于研究人员

阿卡什·萨海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以及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。萨海已在同行评审期刊上发表十余篇文章，并经常在SLAC、欧洲核子研究中心和美国物理学会的活动中发表演讲。他还担任多家科学期刊的审稿人。

卡利安·蒂鲁马拉塞蒂正在攻读科罗拉多大学丹佛分校的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阿努拉格工程学院电子与通信工程学士学位。在攻读硕士学位期间，他担任萨海的研究助理，在SLAC开发此项技术装置。