Meslektaşlarım ve ben yeni bir araştırma projesinde yoğun X-ışınları üreten bir parçacık hızlandırıcının masaya sığacak bir cihaza sıkıştırılabileceğini bulduk.
Yoğun X ışınlarının şu anda üretilme şekli, sinkrotron ışık kaynağı adı verilen bir tesis aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Bunlar malzemeleri, ilaç moleküllerini ve biyolojik dokuları incelemek için kullanılır. Ancak mevcut en küçük senkrotronlar bile bir futbol stadyumu büyüklüğündedir.
Dergide yayımlanan araştırmamız Fiziksel İnceleme Mektuplarıkarbon nanotüpleri ve lazer ışığı adı verilen küçük yapıların bir mikroçip üzerinde nasıl parlak X-ışınları üretebileceğini gösteriyor. Cihaz henüz konsept aşamasında olsa da bu gelişme tıp, malzeme bilimi ve diğer disiplinleri dönüştürme potansiyeline sahip.
Çoğu insan parçacık hızlandırıcılarını muazzam makineler, çok büyük metal halkalar ve yerin altında kilometrelerce uzanan mıknatıslar olarak hayal eder. Örneğin Cenevre’deki Cern’deki (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 17 mil (27 km) uzunluğundadır.
Yeni araştırma, yalnızca birkaç mikrometre genişliğinde (insan saçı genişliğinden daha küçük) ultra kompakt hızlandırıcılar üretmenin yakında mümkün olabileceğini gösteriyor. Bunlar, milyar kiloluk sinkrotron tesisleri tarafından üretilenlere benzer tutarlı, yüksek enerjili X ışınları üretebilir, ancak bu, bir mikroçipe sığan cihazlar kullanılarak yapılabilir.
Bükülmüş ışık
Prensip, ışığın yüzey plazmon polaritonları olarak bilinen özel bir özelliğine dayanır. Bunlar, lazer ışığı bir malzemenin yüzeyine yapıştığında oluşan dalgalardır. Simülasyonlarda, içi boş küçük bir tüp aracılığıyla dairesel polarize bir lazer darbesi gönderildi. Bu polarize lazer darbesi, tıpkı bir tirbuşon gibi, hareket ettikçe bükülen ışıktır.
Dönen alan, tüpün içindeki elektron parçacıklarını yakalayıp hızlandırarak onları sarmal bir harekete zorlar. Senkronize olarak hareket ettikçe elektronlar tutarlı bir şekilde radyasyon yayar ve ışığın yoğunluğunu iki kata kadar artırır.
Ekibim ve ben, mil ölçeğindeki tesisleri yönlendiren aynı fiziksel prensiplerin uygulandığı, ancak nanoskobik bir aşamada, mikroskobik bir sinkrotron yarattık.
Bu konseptin işe yaraması için karbon nanotüpler kullanıldı. Bunlar altıgen desenlerde düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan silindirik yapılardır. Bu nanotüpler, geleneksel hızlandırıcılardan yüzlerce kat daha güçlü olan çok yüksek elektrik alanlarına dayanabiliyor. Ayrıca, birbirine yakın hizalanmış içi boş tüplerden oluşan “orman” dediğimiz şeye dikey olarak “büyütülebilirler”.
Bu benzersiz mimari, tirbuşonlu lazer ışığının elektronlarla eşleşmesi için ideal bir ortam sağlar. Dairesel olarak polarize edilmiş lazer, nanotüpün iç yapısına uyuyor; tıpkı bir kilitteki anahtar gibi, bu yüzden kuantum kilit ve anahtar mekanizmasından söz ediyoruz.
Parçası olduğum araştırma ekibi, fizik bilimleri okulunda araştırma görevlisi olan Bifeng Lei tarafından yönetiliyordu. 3 boyutlu simülasyonlar, bu etkileşimin metre başına birkaç teravolt (bir trilyon volt) elektrik alanı üretebildiğini gösterdi. Bu, mevcut hızlandırıcı teknolojilerinin başarabileceğinin çok ötesinde.
Bu tür bir performans, son teknoloji X-ışını kaynaklarına kimin erişebileceğini değiştirebilir. Şu anda, bilim adamlarının büyük, ulusal sinkrotron tesislerine veya serbest elektron lazerlerine sınırlı zaman aralıkları için başvurmaları gerekiyor ve genellikle birkaç saatlik ışın süresi için aylarca bekliyorlar.
Erişimi açma
Masaüstü hızlandırıcı yaklaşımı, bu yeteneğin hastanelerde, üniversitelerde ve endüstriyel laboratuvarlarda kullanılabilir olmasını sağlayabilir. Aslında ihtiyaç duyulan her yerde.
Tıpta bu, daha net mamogramlar ve yumuşak dokuları kontrast maddeler olmadan benzeri görülmemiş ayrıntılarla ortaya çıkaran yeni görüntüleme teknikleri anlamına gelebilir. İlaç geliştirmede araştırmacılar protein yapılarını şirket içinde analiz edebilir ve yeni tedavilerin tasarımını önemli ölçüde hızlandırabilir. Malzeme, bilim ve yarı iletken mühendisliğinde ise hassas bileşenlerin tahribatsız, yüksek hızda test edilmesine olanak sağlayabilir.
Çalışma, bu ayın başlarında Liverpool’da düzenlenen, hızlandırıcı fiziğinde nanoteknoloji konulu 2025 NanoAc çalıştayında sunuldu. Araştırma şu anda simülasyon aşamasında kalıyor. Ancak gerekli bileşenler zaten mevcut: Güçlü dairesel polarize lazerler ve hassas şekilde üretilmiş nanotüp yapıları, gelişmiş araştırma laboratuvarlarında standart araçlardır.
Bir sonraki adım deneysel doğrulamadır. Eğer başarılı olursa bu, yeni nesil ultra kompakt radyasyon kaynaklarının başlangıcına işaret edecek. Bu teknolojide beni en çok heyecanlandıran şey sadece fizik değil, temsil ettiği şey.
Büyük ölçekli hızlandırıcılar muazzam bilimsel ilerlemelere yol açtı, ancak çoğu kurumun erişemeyeceği bir yerde kalıyorlar. Karşılaştırılabilir performans sunan minyatürleştirilmiş bir hızlandırıcı, birinci sınıf araştırma araçlarına erişimi demokratikleştirerek öncü bilimi çok daha fazla araştırmacının eline sunabilir.
Parçacık hızlandırmanın geleceği, enerji, yoğunluk ve keşif sınırlarını daha da zorlayacak çok büyük makinelerin yanı sıra daha küçük, daha akıllı ve daha erişilebilir hızlandırıcıları içerebilir.
