Radikal Yeni Bir Parçacık Hızlandırıcı Bilimi Kökten Değiştirebilir

Yoğun X ışınlarının günümüzde üretildiği yöntem, senkrotron ışık kaynağı adı verilen bir tesis üzerinden gerçekleşir. Bunlar; malzemeleri, ilaç moleküllerini ve biyolojik dokuları incelemek için kullanılır. Ancak mevcut en küçük senkrotronlar bile bir futbol sahası büyüklüğündedir.

Physical Review Letters dergisine yayına kabul edilen araştırmamız, karbon nanotüpler ve lazer ışığının bir mikroçip üzerinde parlak X ışınları üretebileceğini gösteriyor. Her ne kadar cihaz hâlen konsept aşamasında olsa da, bu gelişme tıp, malzeme bilimi ve diğer birçok disiplini dönüştürme potansiyeline sahip.

Çoğu insan parçacık hızlandırıcılarını, kilometrelerce uzanan, yerin altına inşa edilmiş devasa metal ve mıknatıs halkaları olarak hayal eder. Örneğin Cenevre’deki CERN’de (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü) bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 27 km (17 mil) uzunluğundadır.

Yeni araştırma ise yalnızca birkaç mikrometre genişliğinde – bir insan saçının kalınlığından bile küçük – ultra kompakt hızlandırıcıların inşa edilebileceğini gösteriyor. Bu cihazlar, milyar sterlinlik senkrotron tesislerinde üretilenlere benzer, tutarlı ve yüksek enerjili X ışınları oluşturabilir; üstelik bir mikroçip üzerine sığdırılabilir.

 

Bükülmüş ışık (Twisted light)

Bu prensip, ışığın yüzeye tutunduğunda oluşturduğu yüzey plazmon polaritonları adı verilen bir özelliğe dayanır. Simülasyonlarda, küçük bir içi boş tüpten dairesel polarizasyona sahip bir lazer darbesi gönderildi. Bu polarize lazer darbesi, tıpkı bir tirbuşon gibi hareket ederek ilerleyen, bükülen bir ışık türüdür.

Dönen alan, tüpün içindeki elektron parçacıklarını hapseder ve hızlandırarak onları spiral bir harekete zorlar. Elektronlar senkronize şekilde hareket ettikçe, radyasyonu uyumlu bir biçimde yayar ve ışığın yoğunluğunu iki mertebeye kadar artırır.

Ekibimle birlikte, mil ölçekteki tesislerde çalışan aynı fiziksel prensiplerin nanoskopik ölçekte işlendiği mikroskobik bir senkrotron oluşturduk.

Bu konsepti çalışır hâle getirmek için karbon nanotüpler kullanıldı. Bunlar, karbon atomlarının altıgen desenlerde dizildiği silindirik yapılardır. Karbon nanotüpler, geleneksel hızlandırıcılardakinin yüzlerce katı kadar yüksek elektrik alanlarına dayanabilir. Ayrıca dikey olarak “orman” şeklinde, birbirine paralel boş tüpler hâlinde büyütülebilir.

Bu benzersiz mimari, tirbuşon şeklindeki lazer ışığının elektronlarla etkileşmesi için ideal bir ortam sağlar. Dairesel polarize lazer, nanotübün iç yapısına tam olarak uyum sağlar – tıpkı bir anahtarın kilide oturması gibi. Bu nedenle bu mekanizmaya “kuantum kilit-anahtar” (quantum lock-and-key) mekanizması diyoruz.

Benim de içinde bulunduğum, fizik bilimleri fakültesinden araştırma görevlisi Bifeng Lei tarafından yürütülen araştırma ekibi, bu etkileşimin birkaç teravolt (trilyon volt) metrede elektrik alanları üretebileceğini gösteren 3D simülasyonlar gerçekleştirdi. Bu, mevcut hızlandırıcı teknolojilerinin ulaşabildiğinden çok daha yüksek bir seviyedir.

Bu performans, ileri düzey X ışını kaynaklarına kimin erişebileceğini değiştirebilir. Şu anda bilim insanlarının ulusal senkrotron tesislerinde ya da serbest elektron lazerlerinde sınırlı süreler için başvuru yapmaları, hatta birkaç saatlik ışın süresi için aylarca beklemeleri gerekiyor.

 

Erişimi genişletmek (Opening up access)

Masaüstü hızlandırıcı yaklaşımı bu yeteneği hastanelere, üniversitelere ve endüstriyel laboratuvarlara – kısacası ihtiyaç duyulan her yere – getirebilir.

Tıpta, bu daha net mamografi görüntüleri ve kontrast madde gerektirmeden yumuşak dokuları benzeri görülmemiş detaylarda gösteren yeni görüntüleme teknikleri anlamına gelebilir.

İlaç geliştirmede, araştırmacılar protein yapılarını kendi bünyelerinde analiz ederek yeni tedavilerin tasarlanmasını büyük ölçüde hızlandırabilir. Malzeme bilimi ve yarı iletken mühendisliğinde ise hassas bileşenlerin tahribatsız ve yüksek hızlı test edilmesi mümkün hâle gelebilir.

Bu çalışma, bu ayın başlarında Liverpool’da düzenlenen hızlandırıcı fiziğinde nanoteknoloji konulu 2025 NanoAc çalıştayında sunuldu. Araştırma şu anda simülasyon aşamasında. Ancak gerekli bileşenler çoktan mevcut: güçlü dairesel polarize lazerler ve hassas biçimde üretilmiş nanotüp yapıları gelişmiş araştırma laboratuvarlarında standart hâle gelmiş durumda.

Bir sonraki adım, deneysel doğrulama olacak. Başarılı olursa bu, ultra kompakt radyasyon kaynaklarının yeni bir neslinin başlangıcını işaret edebilir. Bu teknolojide beni en çok heyecanlandıran şey yalnızca fizik değil, onun temsil ettiği şeydir.

Büyük ölçekli hızlandırıcılar devasa bilimsel ilerlemeler sağladı, ancak çoğu kurum için erişilebilir olmaktan uzak. Benzer performans sunan miniaturize bir hızlandırıcı, dünya çapında ileri araştırma araçlarına erişimi demokratikleştirerek sınır biliminin daha çok araştırmacının eline ulaşmasını sağlayabilir.

Parçacık hızlandırmanın geleceği, hem enerjiyi, yoğunluğu ve keşif sınırlarını zorlamak için çok büyük makineleri hem de daha küçük, daha akıllı ve daha erişilebilir hızlandırıcıları içerebilir.

Carsten P. Welsch, Fizik Profesörü, Liverpool Üniversitesi

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.