Ultra hızlı elektronlar ve lazerler, ortak yarı iletkenlerde beklenmedik derecede güçlü radyasyon sinyallerini ortaya çıkarıyor

Radyasyonun tespiti, parçacık hızlandırıcılardan bilimsel araçlara, tıbbi görüntüleme ve güvenlik taramasına kadar çeşitli teknolojiler için kilit öneme sahiptir. Ancak mevcut dedektörlerin sıklıkla güçlü ama yavaş veya hızlı ama zayıf sinyaller sağlayarak ödün vermeleri gerekiyor. Sinyal gücü ve hız arasındaki denge, hassas algılamayı sınırlayabilir.

Yeni araştırmada Stanford Üniversitesi araştırmacıları, Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ile çeşitli materyallerdeki radyasyonu tespit etmek için benzersiz bir deney düzeneği üzerinde çalıştı.

Buldukları şey onları şaşırttı. Araştırmacılar sadece beklenmedik derecede güçlü bir ultra hızlı radyasyon sinyali gözlemlemekle kalmadı, aynı zamanda malzemelerin içindeki yükün beklenenden farklı davrandığını da buldular.

Dergide yayımlanan araştırma Doğa Fotoniğipotansiyel olarak daha iyi algılama teknolojilerinin önünü açarken, malzemelerin davranışı hakkında yeni bilgiler ortaya koyuyor.

MeV-UED’in gücünden faydalanma

Elektronları atomlardan kurtaran radyasyon (iyonlaştırıcı radyasyon olarak adlandırılır) yapıların derinliklerine nüfuz ederek malzemelerin ve insan vücudunun içine bakmamıza olanak tanır.

Doğrudan ölçülemediği için araştırmacılar bunu, iyonlaştırıcı radyasyonun maddeyle etkileşime girdiğinde üretilen ışık veya elektrik sinyalleri gibi ikincil sinyaller aracılığıyla tespit ediyor. Bununla birlikte, bu ikincil sinyaller genellikle ya güçlüdür ancak gelişmesi yavaştır ya da hızlıdır ancak zayıf bir yanıt sağlar.

Stanford Üniversitesi’nde radyoloji eğitmeni ve araştırmanın ilgili yazarı Diana Jeong, çeşitli malzeme sınıflarında iyonlaşmanın neden olduğu optik sinyal güçlerini sistematik olarak araştırmak için yola çıktı. Işık dalgalarının ürettiği bu sinyalleri anlayarak, daha iyi dengeler sağlayacak bir tespit yöntemi bulup bulamayacağını merak etti.

Günümüzde çoğu radyasyon dedektörü, radyasyonu emen ve onu görünür ışığa dönüştüren sintilatörlere, yani malzemelere dayanmaktadır. Örneğin PET taraması sırasında hastalara az miktarda radyoaktif izleyici enjekte ediliyor. İzleyici bozundukça, pozitron adı verilen parçacıklar yayar ve sonuçta sintilatör kristalleri tarafından tespit edilen gama ışınları şeklinde radyasyon yayar.

Jeong, “Radyasyon sintilatöre çarptığında parlıyor” dedi. “Bu parıltı onlarca yıldır radyasyon tespiti için standart sinyal olmuştur. Ancak zamanla geliştiği için, iyonlaşmanın hemen ardından ultra hızlı lazer darbeleriyle gözlemleyebileceğimiz daha erken bir ışık sinyalinin olup olmadığını merak ettik.”

Bu soruyu yanıtlamak için Jeong, SLAC’ın Linac Tutarlı Işık Kaynağındaki (LCLS) Megaelektronvolt Ultra Hızlı Elektron Kırınımı (MeV-UED) cihazını kullandı. Sistem, atomik ve moleküler dinamikleri incelemek için elektronları kullanan güçlü bir “elektron kamerasıdır”.

Bu durumda Jeong, numuneleri görüntülemek için elektronları kullanmak istemedi; SLAC’ın MeV-UED tesisinin benzersiz yeteneklerinden yararlanarak, farklı dalga boylarındaki lazerlerle ortaya çıkan değişiklikleri tespit edebilmek için numuneye yüksek enerjili elektronlar yerleştirmek istedi.

SLAC kadrolu bilim adamı ve MeV-UED’nin lazer bilimi lideri Patrick Kramer, “Normalde bu sistemi elektron kırınımını ölçmek için kullanırız, ancak bu deney bunu tersine çevirdi” dedi. “Bu farklı anlamda bir mikroskopi deneyi.”

Yüksek enerjili elektronlar, PET görüntüleme gibi uygulamalarda bulunan iyonizasyon süreçlerini taklit ederek numuneye enerji depolar. Ancak senkronize lazer darbeleri, parıltıyı tespit etmek yerine, iyonizasyondan hemen sonra malzemenin optik tepkisini araştırdı.

Farklı malzemelerin bu ultra hızlı zaman ölçeklerinde nasıl tepki verdiğini keşfetmek için Jeong ve çalışma arkadaşları, kızılötesi dedektörler ve fotovoltaik güneş pilleri de dahil olmak üzere elektronik uygulamalarda kullanılan yaygın bir yarı iletken malzeme ailesi olan II-VI yarı iletkenleri üzerinde çalıştı.

Bu araştırma sırasında SLAC’ta doktora sonrası araştırmacı olan Central Florida Üniversitesi kimya profesörü Tom Hopper, “Yarı iletkenler bunun gibi kavram kanıtlama deneyleri için idealdir, çünkü elektronlardan gelen bu yüksek enerjili radyasyonu esasen optik özelliklerinde ölçülebilir değişikliklere dönüştürürler” dedi.

Malzeme davranışına ilişkin yeni bir anlayış

Deney işe yaradı: Ekip güçlü bir sinyale sahipti ve yarı iletkenlerdeki ultra hızlı değişiklikleri görebiliyordu. Ancak bu değişiklikler onları şaşırttı ve malzemelerin bu koşullar altında nasıl davrandığına dair onlara yeni bilgiler verdi.

Ekip, elektronlardan üretilen yükün numune boyunca eşit şekilde dağıtılmasını bekliyordu. Ancak bunun yerine, yük taşıyıcıları (atomlardan ayrılmış elektron deliği çiftleri) yerel, yoğun ceplerde bir araya toplanmıştı. Başka bir deyişle, yük taşıyıcılar çikolata olsaydı, Jeong deneyin çikolatalı kek üretmesini beklemişti, ancak bunun yerine çikolata parçacıklı kurabiye yaratıldı.

“Çok tuhaftı” dedi. “Yoğunluklar hesapladığımızdan çok daha yüksekti.”

Bu yoğun patlamalar, malzemelerin bant aralığını (elektronik durumların bulunmadığı malzemelerdeki enerji aralığı) kaydırdı ve bu da yarı iletkenlerin ışığı absorbe etme ve iletme şeklini değiştirdi.

Hopper, “Yarı iletken artık ışığı normalde iletemeyeceği bir yerde iletebiliyordu çünkü bu yüksek enerjili elektronların yönlendirdiği bazı işlemler nedeniyle bant aralığı enerji açısından oldukça önemli ölçüde değişti.” dedi.

Yüksek enerjili elektronların örnekleri nasıl etkilediğine ve bu yoğun enerji cepleri aracılığıyla güçlü sinyaller sağladığına dair bu anlayışa sahip olmak, araştırmacıların ileri algılama teknolojileri geliştirmesine yardımcı olabilir.

Jeong, bu etkilerin düşük enerjili sistemlerde de (doktor muayenehanesinde kullanılabilecek görüntüleme sistemleri gibi) ortaya çıkabileceğine inanıyor. Bu, sonuçta gerçek zamanlı hastalık izleme ve teşhis edebilen yeni görüntüleme teknolojilerine yol açabilir.

Jeong, “Umudumuz, bunun hemen görüntü oluşturabilen ve gerçek zamanlı müdahaleye yol açabilen yeni algılama platformlarına yol açmasıdır” dedi.