Bilim insanları mikroçipe sığan parçacık hızlandırıcı geliştirdi

Bilim insanları, tarih boyunca karşılaştıkları en karmaşık sorunlardan birini çözmek için yeni bir yol bulmuştur: parçacık hızlandırıcılarını minyatürleştirmek. Liverpool Üniversitesi'nden hızlandırıcı fizikçisi Carsten Welsch ve araştırma ekibi, karbon nanotüpler ile yüzey plazmon polaritonları adı verilen ışığın özel bir özelliğini kullanarak, bir mikroçip üzerinde son derece güçlü X-ışınları üreten yeni bir tasarım geliştirmiştir. Bu çığır açan çalışma, Physical Review Letters dergisinde yayınlanmış olup, parçacık fiziği alanında devrim niteliğinde bir adım olarak kabul edilmektedir.

Geleneksel hızlandırıcılardan masaüstü teknolojisine geçiş

Siklotronlar ve sinkrotronlar gibi makineler, bilim insanlarının Büyük Patlama koşullarını laboratuvar ortamında yeniden yaratmasına ve parçacık fiziğinin sınırlarını araştırmasına olanak sağlamıştır. Ancak bu cihazlar, işlevselliğinin karşılığında muazzam boyutlara sahiptir. Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi'ndeki sinkrotron neredeyse iki mil uzunluğunda iken, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ise 17 mil çevreye sahip bir yapıdır. Bu dev makineler, yalnızca birkaç ülkede bulunabilmekte ve erişim oldukça sınırlı kalmaktadır. Welsch'in ekibi tarafından tasarlanan mikroskobik sinkrotron ise, esasen bir mikroçipe sığabilecek boyutlara indirgenerek, bu gelişmiş teknolojiye erişimi dünya çapında laboratuvarlara açmayı hedeflemektedir.

Tarihsel olarak, teknolojik ilerleme bu tür bir miniaturizasyon yolunu izlemiştir. 1945 yılında inşa edilen ENIAC, dünyanın ilk dijital ve programlanabilir bilgisayarı olmasına rağmen 30 ton ağırlığında ve küçük bir oda büyüklüğündeydi. Günümüzde ise ENIAC'tan milyarlarca kat daha güçlü bilgisayarlar insanların cebine sığmaktadır. Welsch ve ekibi, bu başarılı miniaturizasyon örneğinin parçacık hızlandırıcıları gibi aşırı karmaşık bilimsel aletlere de uygulanabileceğini düşünmektedir.

Karbon nanotüpler ve lazer ışığının sihirli birleşimi

Welsch'in yeni tasarımının temelinde, yüzey plazmon polaritonları (SPP'ler) olarak bilinen ışığın belirli bir özelliği yatmaktadır. Bu polaritonlar, lazer ışığı bir malzemenin yüzeyine yapıştığında oluşan dalgalardır. Araştırma simülasyonlarında, dairesel polarize bir lazer nabzı küçük bir içi boş tüpten gönderilmiştir. Bu polarize lazer nabzı, hareket ederken dönen ve tıpkı bir tirbuşon gibi hareket eden bir ışık demeti oluşturmaktadır. Bu sarmal alan yapısı, parçacık hızlandırıcısının temel işleyişinin anahtarıdır.

Welsch'in açıklamalarına göre, bu sarmal ışık alanı karbon nanotüpteki elektronları yakalar ve hızlandırır, onları senkronize hareket etmeye ve sarmal hareketi takip etmeye zorlar. Karbon nanotüpler, hem silindirik yapıları hem de dikey ve yakından hizalanmış nanotüplerden oluşan bir "orman" halinde yetiştirilebilme yetenekleri nedeniyle, bu tirbuşon şeklindeki ışık için mükemmel bir ortam yaratmaktadır. Simülasyonlar, bu düzeneğin gücü birkaç teravolta kadar çıkan elektrik alanları üretebileceğini göstermektedir. Bu seviyedeki elektrik alanı, ilaç molekülleri veya biyolojik dokular gibi şeyleri incelemek için gereken X-ışınlarını üretmek için yeterlidir.

Tipik olarak, bilim insanlarının bu tür detaylı incelemeler için bir sinkrotrona ihtiyacı vardır. Sinkrotronlar, X-ışınları olan "sinkrotron ışığı" yayan elektronları bükmek için manyetik veya elektrik alan kullanan bir tür parçacık hızlandırıcıdır. Welsch'in mikroçip tabanlı tasarımı, bu işlevi çok daha küçük ve erişilebilir bir platformda gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır.