Araştırmacılar Bir Çipe Uyan Bir Parçacık Hızlandırıcısı İnşa Ediyor

Fotoğraf : Atomaltı parçacık çarpışma illüstrasyonu (stok görüntü).

Stanford Üniversitesi’nin yukarısındaki bir yamaçta, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı yaklaşık 3 kilometre uzunluğunda bilimsel bir araç işletiyor. Bu dev hızlandırıcıda, bir elektron akışı bir vakum borusundan akar, çünkü mikrodalga radyasyon patlamaları, hızları ışık hızına yaklaşana kadar parçacıkları daha hızlı ileriye doğru iter ve dünyanın her yerinden bilim insanlarının inorganik ve biyolojik malzemelerin atomik ve moleküler yapılarını araştırmak için kullandıkları güçlü bir ışın oluşturur.

Şimdi, ilk kez, Stanford ve SLAC’daki bilim insanları, bir saç genişliğinden daha az, mikrodalgaların birçok ayağını alan enerji takviyesini sunmak için bir kızılötesi lazer kullanarak o büyük enstrümanın hızının bir kısmında da olsa elektronları hızlandırabilen bir silikon çip oluşturdular.

Science’ın 3 Ocak sayısında yazan ve elektrik mühendisi Jelena Vuckovic liderliğindeki bir ekip, nano ölçekli bir kanalı görünür ışığa karşı cam kadar şeffaf olan silikondan nasıl oyduklarını, vakumda mühürlediğini ve kızılötesi ışık atımları, elektronları hızlandırmak için kanal duvarları tarafından iletilirken bu boşluktan elektronlar gönderdiğini açıkladı.

Science’ta gösterilen çip üzerindeki hızlandırıcı sadece bir prototip, ancak Vuckovic, tasarım ve üretim tekniklerinin, kimya, malzeme bilimi ve biyolojik keşifte en son deneyleri gerçekleştirecek kadar hızlandırılmış parçacık ışınları sağlamak için büyük bir hızlandırıcı gücü gerekmeden ölçeklendirilebileceğini söyledi.

Vuckoviç, “En büyük hızlandırıcılar güçlü teleskoplar gibidir. Dünyada sadece birkaç tane var ve bilim insanları onları kullanmak için SLAC gibi yerlere gelmek zorundalar.” dedi. “Hızlandırıcı teknolojisini daha erişilebilir bir araştırma aracı haline getirecek şekilde minimize etmek istiyoruz.”

Ekip üyeleri, bilgi işlemin ana bilgisayardan daha küçük ama yine de kullanışlı PC’ye evrimleşme yaklaşımını seviyorlar. Science gazetesinin ortak yazarı fizikçi Robert Byer, çipte hızlandırıcı teknolojisinin yeni kanser radyasyon terapilerine de yol açabileceğini söyledi. Yine, bu bir boyut meselesi. Bugün, tıbbi X-ışını makineleri bir odayı dolduruyor ve tümörlere odaklanması zor olan bir radyasyon ışını sağlıyor ve hastaların tali hasarını en aza indirmek için kurşun kalkanlar giymelerini gerektiriyor.

Hızlandırıcıyı bir Chip International Programında veya daha geniş bir çabanın bu araştırmaların bir parçası olduğu bir CHIP’de yöneten Byer, “Bu yazıda, sağlıklı dokudan etkilenmeden elektron ışını radyasyonunun doğrudan bir tümöre iletilmesinin nasıl mümkün olabileceğini göstermeye başladık.” açıklamasını yaptı.

Ters Tasarım

İlk yazar Vuckovic ve lisansüstü öğrencisi Neil Sapra, ekibin elektronları doğru zamanda ve sadece öncekinden biraz daha hızlı doğru açıyla vurmak için silikondan kızılötesi ışık atımlarını nasıl ateşlediğini açıklıyor.

Bunu başarmak için tasarım sürecini tersine çevirdiler. Geleneksel bir hızlandırıcıda, SLAC’daki gibi, mühendisler genellikle temel bir tasarım hazırlar, daha sonra mümkün olan en yüksek ivmeyi sağlamak için mikrodalga patlamalarını fiziksel olarak düzenlemek için simülasyonlar çalıştırırlar. Ancak mikrodalgalar tepe noktasından oluğa 4 inç ölçerken, kızılötesi ışığın bir insan saçının genişliğinin onda biri dalga boyu vardır. Bu fark, kızılötesi ışığın mikrodalgalara kıyasla neden bu kadar kısa mesafelerde elektronları hızlandırdığını açıklıyor. Ancak bu aynı zamanda çipin fiziksel özelliklerinin geleneksel bir hızlandırıcıdaki bakır yapılardan 100.000 kat daha küçük olması gerektiği anlamına gelir. Bu, silikonla entegre fotonik ve litografiye dayalı yeni bir mühendislik yaklaşımı gerektirir.

Vuckovic’in ekibi problemi, laboratuvarının geliştirdiği ters tasarım algoritmalarını kullanarak çözdü. Bu algoritmalar, çipin ne kadar ışık enerjisi vermesini istediklerini belirterek ve yazılımı fotonları elektronların akışı ile doğru temasa getirmek için gerekli olan doğru nano ölçekli yapıların nasıl oluşturulacağını önererek araştırmacıların geriye doğru çalışmasına izin verdi.

Science gazetesinde bir SLAC personeli bilim insanı ve ortak yazar R. Joel England, “Bazen, ters tasarımlar bir insan mühendisin düşünemeyeceği çözümler üretebilir.” dedi.

Tasarım algoritması neredeyse dünya çapında görünen bir çip düzeni ile geldi. Bir kanalla ayrılmış, nano ölçekli düz tepeleri silikondan kazınmış olarak düşünün. Kanaldan akan elektronlar, stratejik konumlardaki kanyon duvarından alıkonan silikon tellerden bir portal oluşturur. Saniyede 100.000 kez yaptığı lazer darbeleri her seferinde bir foton patlaması bir grup elektrona çarpar ve onları ileriye doğru hızlandırır. Tüm bunlar saçın genişliğinden daha az, Stanford’daki ekip üyeleri tarafından yapılan vakumla kapatılmış bir silikon çipin yüzeyinde gerçekleşir.

Araştırmacılar, araştırma veya tıbbi amaçlar için yeterince güçlü bir parçacık akışı oluşturmak için elektronları ışık hızının yüzde 94’üne veya 1 milyon elektron voltaja (1MeV) hızlandırmak istiyorlar. Bu prototip çip sadece tek bir hızlanma aşaması sağlar ve elektron akışının 1MeV’ye ulaşmak için bu aşamaların yaklaşık 1.000’inden geçmesi gerekir. Ancak bu göründüğü kadar göz korkutucu değil, dedi Vuckovic, çünkü çip üzerindeki bu prototip hızlandırıcı tamamen entegre bir devre. Bu, hızlanma oluşturmak için gereken tüm kritik işlevlerin doğrudan çipin içine yerleştirildiği ve yeteneklerinin artırılmasının makul derecede basit olması gerektiği anlamına gelir.

Araştırmacılar, 1MeV hedeflerine ulaşmak için 2020’nin sonuna kadar bin adımlık aşamayı kabaca bir inç çip boşluğuna koymayı planlıyorlar. Bu önemli bir kilometre taşı olmasına rağmen, böyle bir cihaz hala 1MeV’den 30.000 kat daha fazla enerji seviyeleri üretebilen SLAC araştırma hızlandırıcısının yetenekleriyle birlikte solgunlaşacaktır. Ancak Byer, tıpkı transistörlerin sonunda elektronikteki vakum tüplerini değiştirdiği gibi, ışık tabanlı cihazların bir gün mikrodalga tahrikli hızlandırıcıların yeteneklerine meydan okuyacağına inanıyor.

Bu arada, bir çip üzerinde 1MeV hızlandırıcı geliştirme beklentisiyle, kağıt üzerinde ortak yazar olan elektrik mühendisi Olav Solgaard, olası bir kanserle mücadele uygulaması üzerinde çalışmaya başladı. Günümüzde yüksek enerjili elektronlar, cildi yakacakları için radyasyon tedavisi için kullanılmamaktadır. Solgaard, çip büyüklüğündeki bir hızlandırıcıdan yüksek enerjili elektronları, radyasyon tedavisini cerrahi olarak uygulamak için parçacık ışınını kullanarak, bir tümörün yanına deri altına yerleştirilebilen kateter benzeri bir vakum tüpü yoluyla kanalize etmek için çalışıyor.

Solgaard , “Araştırma uygulamalarına ek olarak hızlandırıcı teknolojisinin minyatürleştirilmesinden tıbbi faydalar elde edebiliriz.” diye belirtti.

Kaynak : sciencedaily.com