Bilimsel araştırmalar, genellikle devasa ve pahalı tesisler gerektirir. Ancak yapılan yeni bir çalışmayla, masaya sığacak kadar küçük bir cihazda yoğun X-ışınları üretebilen bir parçacık hızlandırıcı geliştirme potansiyeli ortaya çıktı. Bu gelişme, tıp, malzeme bilimi ve diğer birçok alanı kökten değiştirebilir.
Şu anda yoğun X-ışınları, senkrotron ışık kaynakları adı verilen büyük tesislerde üretiliyor. Bu tesisler, malzeme yapısını, ilaç moleküllerini ve biyolojik dokuları incelemek için kullanılıyor. Ancak en küçük senkrotronların bile bir futbol stadyumu büyüklüğünde olduğunu düşünürsek, bu teknolojinin yaygınlaşması oldukça sınırlı kalıyor.
Yapılan son araştırmalar, karbon nanotüpler ve lazer ışığı kullanılarak bir mikroçip üzerinde parlak X-ışınları üretilebileceğini gösteriyor. Konsept aşamasında olsa da, bu minyatür hızlandırıcılar, milyarlarca dolarlık senkrotron tesislerinin sağladığı yetenekleri, çok daha küçük ve erişilebilir bir cihazla sunma potansiyeli taşıyor.
Parçacık hızlandırıcılar denince akla ilk gelen, devasa metal halkalar ve kilometrelerce uzanan mıknatıslar oluyor. Örneğin, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'ndeki (CERN) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 27 kilometre uzunluğunda. Ancak yeni araştırmalar, insan saçından daha ince, sadece birkaç mikrometre genişliğinde ultra kompakt hızlandırıcılar inşa etmenin mümkün olabileceğini ortaya koyuyor.
Dönen Işık Teknolojisi
Bu minyatür hızlandırıcıların çalışma prensibi, yüzey plazmon polaritonları olarak bilinen bir ışık özelliğine dayanıyor. Bunlar, lazer ışığı bir malzemenin yüzeyine yapıştığında oluşan dalgalar. Yapılan simülasyonlarda, dairesel olarak kutuplaştırılmış bir lazer darbesi, minik, içi boş bir tüpten gönderildi. Bu lazer ışığı, bir tirbuşon gibi hareket ederek dönüyor.
Bu dönen alan, tüp içindeki elektron parçacıklarını yakalayıp hızlandırarak spiral bir harekete zorluyor. Elektronlar senkronize hareket ettikçe, tutarlı bir şekilde radyasyon yayarak ışığın yoğunluğunu iki katına kadar artırıyorlar.
Bu projede geliştirilen sistem, büyük ölçekli tesisleri çalıştıran aynı fiziksel prensiplerin nanoskobik bir alanda işlediği mikroskobik bir senkrotron olarak tanımlanabilir.
Bu konseptin çalışabilmesi için, karbon atomlarının altıgen desenlerde düzenlendiği silindirik yapılar olan karbon nanotüpler kullanılıyor. Bu nanotüpler, geleneksel hızlandırıcılardakinden yüzlerce kat daha güçlü elektrik alanlarına dayanabiliyor. Ayrıca, birbirine yakın hizalanmış içi boş tüplerden oluşan bir 'orman' gibi dikey olarak 'büyütülebiliyorlar'.
Bu eşsiz mimari, dönen lazer ışığının elektronlarla eşleşmesi için ideal bir ortam sağlıyor. Dairesel olarak kutuplaştırılmış lazer, nanotübün iç yapısına tam olarak uyarak, adeta bir anahtarın kilide girmesi gibi bir etkileşim yaratıyor. Bu nedenle araştırmacılar bu durumu 'kuantum kilit-anahtar mekanizması' olarak adlandırıyor.
Bu konseptin öncülüğünü yapan araştırma ekibinin yaptığı 3D simülasyonlar, bu etkileşimin metre başına birkaç teravolt (bir trilyon volt) elektrik alanları üretebildiğini gösterdi. Bu, mevcut hızlandırıcı teknolojilerinin çok ötesinde bir performans anlamına geliyor.
Bu düzeydeki bir performans, yeni nesil X-ışını kaynaklarına erişimi önemli ölçüde genişletebilir. Şu anda bilim insanları, büyük, ulusal senkrotron tesisleri veya serbest elektron lazerleri için sınırlı zaman dilimlerine başvurmak zorunda kalıyor ve genellikle birkaç saatlik ışın süresi için aylarca bekliyorlar.
Erişimi Kolaylaştırmak
Masaüstü hızlandırıcı yaklaşımı, bu yeteneği hastaneler, üniversiteler ve endüstriyel laboratuvarlara taşıyabilir. Hatta ihtiyaç duyulan her yere götürülebilir hale getirebilir.
Tıp alanında, bu durum daha net mamografiler ve kontrast madde kullanmadan yumuşak dokuları eşsiz bir detayla gösteren yeni görüntüleme teknikleri anlamına gelebilir.
İlaç geliştirmede, araştırmacılar protein yapısını kendi laboratuvarlarında analiz edebilir, bu da yeni tedavilerin tasarımını önemli ölçüde hızlandırabilir. Malzeme bilimi ve yarı iletken mühendisliğinde ise, hassas bileşenlerin tahribatsız ve yüksek hızlı testlerini mümkün kılabilir.
Bu çalışma, hızlandırıcı fiziğinde nano teknoloji konulu atölye çalışmasında sunuldu. Araştırma şu anda simülasyon aşamasında olsa da, gerekli bileşenler (güçlü dairesel lazerler ve hassas üretilmiş nanotüp yapıları) ileri araştırma laboratuvarlarında standart araçlar olarak bulunuyor.
Bir sonraki adım, deneysel doğrulamadır. Başarılı olması halinde, bu durum yeni nesil ultra kompakt radyasyon kaynaklarının başlangıcını işaret edecektir. Bu teknolojiyi heyecan verici kılan sadece fiziği değil, temsil ettiği potansiyel. Büyük ölçekli hızlandırıcılar muazzam bilimsel ilerlemeler sağladı, ancak çoğu kurumun erişemeyeceği kadar uzakta kaldılar. Karşılaştırılabilir performans sunan minyatürleştirilmiş bir hızlandırıcı, dünya standartlarında araştırma araçlarına erişimi demokratikleştirerek, sınır bilimi çok daha fazla araştırmacının eline taşıyabilir.
Parçacık hızlandırıcının geleceği, enerji, yoğunluk ve keşif sınırlarını daha da zorlayacak çok büyük makinelerin yanı sıra, daha küçük, daha akıllı ve daha erişilebilir hızlandırıcıları da içerebilir.
