一种突破性的量子装置小到足以放在掌心，有朝一日或许能解答科学界最大的疑问之一——多重宇宙是否真实存在。这种微型芯片能够产生极端电磁场，这种场强过去只有在长达数英里的巨型粒子对撞机中才能实现。除了探索现实构造，它还有望催生出强大的伽马射线激光器，能够在原子层面上消灭癌细胞；这让我们得以一窥未来——届时，宇宙最深层的奥秘和挽救生命的医学突破，都将由拇指大小的技术所开启。
想象一种安全的伽马射线激光器，能够根除癌细胞而不损伤健康组织。或者一种工具，通过揭示宇宙的底层构造，帮助确定斯蒂芬·霍金的多元宇宙理论是否真实。
电气工程助理教授Aakash Sahai博士取得了一项量子突破，可能有助于这些科幻想法成为现实，并在量子界激起了兴奋的涟漪，因为其有可能彻底改变我们对物理学、化学和医学的理解。《先进量子技术》是量子科学、材料和技术领域最具影响力的期刊之一，该期刊认可了Sahai的工作，并将其研究作为六月刊的封面专题。
“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，我们曾有过推动我们前进的技术突破，例如亚原子结构带来了激光、计算机芯片和LED的诞生。这项同样基于材料科学的创新，也属于同样的范畴。”
工作原理
Sahai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——当材料中的电子以极高的速度振动和反弹时产生——为从计算机芯片到寻找暗物质证据的超级粒子对撞机的一切提供动力。直到现在，创造足够强用于高级实验的场仍需要巨大、昂贵的设施。例如，追踪暗物质证据的科学家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。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。在这种规模上进行实验需要巨大的资源，极其昂贵，并且可能高度不稳定。
Sahai开发了一种硅基类芯片材料，能够承受高能粒子束，管理能量流，并允许科学家访问由量子电子气的振荡或振动产生的电磁场——所有这一切都在拇指大小的空间内完成。这种快速运动产生了电磁场。利用Sahai的技术，该材料管理由振荡产生的热流，并保持样品完整和稳定。这为科学家提供了一种前所未有的观察活动的方式，并开启了将数英里长的对撞机缩小到一个芯片上的可能性。
“在操纵如此高能量流的同时保持材料的底层结构，这就是突破所在，”Sahai实验室参与该项目的研究生Kalyan Tirumalasetty说。“这项技术突破可以给世界带来真正的改变。这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。”
该技术和方法由科罗拉多大学丹佛分校设计，并在SLAC国家加速器实验室进行了测试，该实验室是由斯坦福大学运营、美国能源部资助的世界级设施。
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申请并获得了该技术的临时专利。虽然现实世界的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度过漫长时光的动力。
“伽马射线激光器可能成为现实，”Sahai说。“我们可以对组织进行成像，不仅精确到细胞核，而且深入到底层原子的原子核。这意味着科学家和医生将能够看到核层面上发生的事情，这可以加速我们对在如此微小尺度上起主导作用的巨大作用力的理解，同时也带来更好的医疗治疗和治愈方法。最终，我们可以开发伽马射线激光器来修饰原子核，并在纳米水平上清除癌细胞。”
极端等离激元技术还可以帮助检验关于我们宇宙如何运作的广泛理论——从多元宇宙的可能性到探索我们宇宙的基本构造。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，这对我来说非常重要，”他说。“但工程师为科学家提供了不仅仅是理解的工具。那是……那是令人振奋的。”
这两位研究者的下一步是今年夏天重返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，导致这一关键时刻的一些基础工作始于2018年，当时Sahai发表了他关于反物质加速器的第一项研究。“这需要一段时间，但在我有生之年，这是很有可能的，”Sahai说。
关于研究人员
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、等离子体与计算小组的成员。在2018年加入科罗拉多大学丹佛分校之前，他曾在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已在同行评审期刊上发表了十多篇文章，并且是SLAC、CERN和美国物理学会活动的常客演讲者。他还担任几家科学期刊的审稿人。
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，并拥有贾瓦哈拉尔·尼赫鲁技术大学Anurag工程学院的电子与通信工程学士学位。在攻读硕士学位期间，他担任Sahai的研究助理，在SLAC开发这一技术装置。