این مفهوم نوآورانه شتابدهنده میتواند علم پیشرفته اشعۀ ایکس را به هر آزمایشگاه برساند.
کوچکسازی فیزیک سینکروترون
سینکروترونها منبع نور پرتوهای دورانی بسیار بزرگ هستند که برای کشف مواد، مولکولهای دارو و بافتهای بیولوژیکی با پرتوهای ایکس پرانرژی استفاده میشوند. حتی کوچکترین امکانات عملیاتی مساحتی برابر با استادیومهای فوتبال اشغال میکنند.
تحقیقات جدید نشان میدهد که همین اصول فیزیکی میتواند در ساختارهایی با عرض تنها چند میکرومتر، که حتی باریکتر از موهای انسان است، بازتولید شود.
پروفسور دکتر کارستن پی. ولش در مقالهای برای The Conversation توضیح میدهد که هسته ایده در پلاریتونهای سطحی پلسمونی نهفته است. این امواج زمانی شکل میگیرند که نور لیزری به سطح ماده میچسبد. در شبیهسازیها، یک پالس لیزری بهصورت قطبیگردان به داخل یک لوله توخالی ریز فرستاده شد و همانند پیچپیچ میچرخید.
این میدان چرخشی الکترونها را داخل لوله به دام میاندازد و شتاب میدهد، بهگونهای که آنها به یک مارپیچ همزمان تبدیل میشوند. چون الکترونها همگام حرکت میکنند، تشعشع آنها همگن میشود و اشعه ایکس ساطعشده تا دو مرتبه قدرت مییابد.
این مطالعه بهطور مؤثری نسخه میکروسکوپی یک سینکروترون را نشان داد. نانولولههای کربنی نقش کلیدی در اینجا ایفا میکنند. این ساختارهای استوانهای، ساخته شده از اتمهای کربن که در الگوهای ششضلعی مرتب شدهاند، قادر به تحمل میدانهای الکتریکی صدها برابر قویتر از آنچه در شتابدهندههای سنتی استفاده میشود، هستند.
وقتی بهصورت عمودی در آرایههای راستپشتدار رشد میکنند—که به آن «جنگل نانولوله» میگویند—اینها کانالهای ایدهآلی برای نور لیزری با چرخش میسازند. طبق گفته تیم تحقیق، هندسه این لولهها بهطور طبیعی با لیزر قطبیگردان منطبق است؛ ترکیبی «قفل‑و‑کلید» که برای مکانیزم اساسی ضروری است.
شبیهسازیهایی که توسط بایفنگ لی، پژوهشگر وابسته در دانشکده علوم فیزیکی انجام شد، نشان داد که این پیکربندی میتواند میدانهای الکتریکی چندین تراولت بر متر تولید کند. این مقادیر بسیار فراتر از محدودیتهای فناوری شتابدهندههای موجود هستند.
ولش تاکید کرد که ابزارهای لازم برای چنین سیستمی—ساختارهای نانولوله بهدقت تولیدشده و لیزرهای قطبیگردان قوی—در محیطهای پیشرفته تحقیق از پیش بهعنوان اجزای استاندارد موجود هستند، بنابراین کارهای آزمایشی گام بعدی قابلاجرا هستند.
دسترسی گستردهتر به ایکسریهای پیشرفته
امروزه پژوهشگران برای دسترسی کوتاهمدت و پررقابت به پرتوهای ایکس پرشدت، باید به مراکز ملی سینکروترون یا لیزرهای آزاد الکترونی درخواست بدهند. یک دستگاه رومیزی با خروجی مشابه میتواند به بیمارستانها، دانشگاهها و آزمایشگاههای صنعتی امکان تولید منابع اشعه با کیفیت بالا را بدهد.
در حوزه پزشکی، این میتواند به بهبود وضوح ماموگرافیها و روشهای تصویربرداری جدیدی منجر شود که بافتهای نرم را بدون نیاز به مواد تقویتکننده نشان میدهند. همچنین میتواند کشف داروها را تقویت کند، زیرا دانشمندان میتوانند ساختارهای پروتئینی را درونسازمانی بررسی کنند بهجای انتظار ماهها برای زمان پرتوهای خارجی.
دانشمندان مواد و مهندسان نیمهرسانا میتوانند تستهای غیر مخرب بر روی اجزای حساس انجام دهند، با تجهیزاتی که بهقدر کافی کوچک هستند تا روی یک میز کار قرار گیرند. پروفسور ولش میگوید این رویکرد میتواند شکاف بین زیرساختهای علمی بزرگمقیاس و نیازهای روزمره پژوهشگران را پر کند.
این پژوهش اخیراً در کارگاه NanoAc 2025 درباره نانوتکنولوژی در فیزیک شتابدهنده که در اوایل این ماه در لیورپول برگزار شد، ارائه شد. تائید آزمایشی هنوز در دسترس است و برای پروژه در مرحله شبیهسازی قابلدسترس میباشد.
به سوی آیندهٔ دوگانه در علم شتابدهنده
پژوهشگران تأکید میکنند شتابدهندههای ذرات فوقکامپکت جایگزین ماشینآلات مایلطولانی مثل لابراتوار بزرگ هادرون (Large Hadron Collider) نخواهند شد؛ این دستگاهها برای پیشرفتهای انرژی و کشفیات اساسی حیاتی هستند.
در عوض، هر دو میتوانند همزیست شوند. مراکز بزرگ همچنان فیزیک بنیادی را پیش میرانند و سیستمهای کوچک دسترسی به ابزارهای تحلیلی قدرتمند را عامسازی میکنند. شتابدهندهای قابل حمل که قادر به تولید اشعه ایکس با کیفیت سینکروترونی است، فراتر از یک ایده نوآورانه است؛ این تغییر نحوهٔ دسترسی به تجهیزات علمی پیشرفته را بهوجود میآورد.
این مطالعه در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد.