Minyatür Parçacık Hızlandırıcılar Geliştirildi

S. Kraus ve j. Litzel/laserphysics/fau

1 avroluk madenî paranın üzerine resmedilmiş bu çipte farklı uzunluklarda 42 ayrı parçacık hızlandırıcı yer alıyor.

Günümüzde var olan Büyük Hadron Çarpıştırıcı (LHC) ve benzeri parçacık hızlandırıcılar kurulması pahalı, devasa yapılardır. Bir süredir üzerine araştırma yapılan konulardan biriyse minyatür boyutlarda parçacık hızlandırıcılar geliştirmek. Bu minik parçacık hızlandırıcılar, tıptan bilimsel araştırmalara kadar pek çok alanda yararlı olabilir. 

Tomáš Chlouba ve ark., Nature

Tomáš Chlouba ve arkadaşları tarafından geliştirilen hızlandırıcıların renklendirilmiş elektron mikroskobu görüntüleri. Kanala bir uçtan giren elektronlar diğer uçtan hızlanmış olarak çıkıyor (a). Her biri yaklaşık 2 mikrometre yüksekliğindeki sütunların yukarıdan (b) ve yandan (c) görünüşü. Aralıklı olarak dizilmiş sütunlar hem elektronların kanalın dışına çıkmasına engel oluyor hem de elektronlara enerji aktarılmasına aracılık ediyor.

Çip Üstü Hızlandırıcı Uluslararası Programı (ACHIP) kapsamında çalışmalar yapan iki ayrı araştırma grubu, yakın zamanlarda minyatür parçacık hızlandırıcılar geliştirmeyi başardıklarını açıkladı. Silikon çipler üzerine inşa edilen hızlandırıcıların ana yapısını art arda dizilmiş 2 mikron yüksekliğindeki sütunlar oluşturuyor. İki sıra hâlinde dizilmiş sütunların arasındaki kanala bir uçtan giren elektronlar diğer uçtan enerji kazanmış olarak çıkıyor. Sütunların aralıklı yapısı elektronların kanalın içine hapsolmasını sağlıyor. Elektronların enerji kazanmasına da üzerlerine lazer ışığı düştüğünde elektromanyetik alanlar üreten sütunlar aracılık ediyor.

Erlanggen-Nuremberg Üniversitesinden Peter Hommelhoff ve öğrencileri tarafından geliştirilen çip elektronlara 12,3 keV, Stanford Üniversitesinden Robert Byer ve öğrencileri tarafından geliştirilen çipse elektronlara 23,7 keV enerji aktarabiliyor. LHC gibi parçacık hızlandırıcılarda elektronlara bu değerlerin milyonlarca katı enerji yüklenebildiği düşünülürse minyatür parçacık hızlandırıcıların devasa tesislerin yerini alması zor. Ancak bu minik parçacık hızlandırıcıların çok çeşitli alanlarda yararlı olabileceği düşünülüyor. Örneğin günümüzde cilt kanseri tedavisinde kullanılan yüksek enerjili elektronları üretmek için oda büyüklüğünde cihazlar kullanılıyor. Gelecekte derinin altına girerek belirli bir bölgedeki kanser hücrelerinin DNA’sını parçalayan minyatür elektron hızlandırıcılar geliştirilebilir. Ayrıca bu çip üstü parçacık hızlandırıcıların kuantum hesaplamalarda ve malzeme bilimi araştırmalarında da yararlı olması bekleniyor.

Geliştirilen cihazların elektronlara aktardığı toplam enerji devasa parçacık hızlandırıcılarınkine kıyasla çok küçük kalsa da bu durum aslında hızlandırıcıların kısa olmasından kaynaklanıyor. Elektronların her bir metre yol aldıklarında kazandıkları enerjiye bakıldığında, minyatür çipler ve günümüzün devasa parçacık hızlandırıcıları benzer değerlere sahip. Her iki tür hızlandırıcı da parçacıklara metre başına on milyonlarca elektron volt enerji aktarabiliyor. Minyatür hızlandırıcıları geliştiren araştırmacılar, gelecekte bu değerleri metre başına milyarlarca elektron volta çıkarmayı planlıyor.  

Kaynaklar:

• Choluba, T. ve ark., “Coherent nanophotonic electron accelerator”, Nature, Cilt 622, s. 476, 2023.
• Broaddus, P., ve ark., “Sub-relativistic Alternating Phase Focusing Dielectric Laser Accelerators”, arXiv, 2023.