位於史丹福大學的SLAC國家加速器實驗室，原名斯坦福直線加速器中心，運行著近2英裡長的巨大的加速器中，電子流流過真空管，隨著微波輻射的爆發將粒子向前推動得越來越快，直到它們的速度接近光速，從而產生了強大的光束，世界各地的科學家都可以使用它探測無機和生物材料的原子和分子結構。
現在，史丹福大學和加速器實驗室的科學家們首次製造出了一種矽晶片，該晶片可以使用紅外雷射以小於頭髮寬度的速度來加速電子。這項研究成果刊登在最近的《科學》雜誌上。
在論文中，科學家們解釋了如何從矽中雕刻出納米級通道，將其密封在真空中，並通過紅外光脈衝將電子通過該腔體—矽是矽像玻璃對可見光一樣透明-通過通道壁傳輸以加快電子的運動。
這種在微小晶片上的加速器只是一個原型，其設計和製造技術還可以擴大規模，以提供足夠加速的粒子束，從而進行化學、材料科學和生物學發現方面的前沿實驗，而不需要大型加速器的動力。
晶片上加速器技術可能導致新的癌症放射療法。如今，醫用X射線機體積龐大並發出難以聚焦在腫瘤上的輻射束，要求患者佩戴鉛罩以最大程度地減少附帶損害。研究人員在這項技術中展示了如何將電子束輻射直接傳遞給腫瘤，而使健康組織不受影響。
該晶片通過矽發射紅外光脈衝，在適當的時間和正確的角度撞擊電子。為此，他們顛倒了設計過程。在傳統加速器中，例如在加速器中，工程師通常會草擬基本設計，然後運行仿真以物理方式安排微波脈衝串，以提供最大可能的加速。但是微波測量的是從峰到谷的4英寸長，而紅外光的波長是人發寬度的十分之一。這種差異解釋了為什麼與微波相比，紅外光可以在這麼短的距離內加速電子。但這也意味著晶片的物理特性必須比傳統加速器中的銅結構小100,000倍。這就需要一種基於矽集成光子學和光刻技術的工程新方法。
研究人員使用所開發的逆設計算法解決了該問題。這些算法允許研究人員進行後向工作，方法是指定他們希望晶片傳遞多少光能，並對軟體進行任務分配，並建議如何構建使光子與電子流正確接觸所需的正確納米級結構。研究人員說：「有時候，反向設計可以提供人類工程師可能不會想到的解決方案。」
該設計算法提出的晶片布局看上去與眾不同。被矽蝕刻出的被通道隔開的納米臺面。流經該通道的電子沿著矽絲絞線運行，在關鍵位置刺穿峽谷壁。每次雷射脈衝（每秒做100,000次）都會使一束光子擊中一束電子，使它們向前加速。在所製作的真空密封矽晶片表面上，所有這些事情的發生都小於頭髮的寬度。
研究人員希望將電子加速到光速的94％，即一百萬電子伏（1MeV），以產生足以用於研究或醫學目的的粒子流。該原型晶片僅提供單級加速，並且電子流將必須通過這些級中的大約1,000級才能達到1MeV。 這意味著創建加速所需的所有關鍵功能都直接內置在晶片中，並且增加其功能應該相當簡單。
這將是一個重要的裡程碑，這種設備的功率仍將與加速器的功能相提並論，後者可產生比1MeV高30,000倍的能量。就像電晶體最終取代電子設備中的真空管一樣，基於光的設備有一天將挑戰微波驅動加速器的功能。
同時，由於期望在晶片上開發1MeV加速器，研究人員已經開始著手研究可能的抗癌應用。如今，高能電子不再用於放射治療，因為它們會灼傷皮膚。他們正在研究一種方法，該方法通過使用粒子束通過外科手術進行放射療法，將來自晶片大小的加速器的高能電子通過導管狀真空管引導，該導管可以插入皮膚下方，腫瘤旁邊。除了研究應用之外，還可以從加速器技術的小型化中獲得醫學利益。