انقلاب در فیزیک و پزشکی با فناوری مینیاتوری جدید

به گزارش تابناک به نقل از برنا، در دنیای فیزیک و فناوری، تحولات بسیاری در حال شکل‌گیری است که می‌توانند نه تنها نحوه‌ی درک ما از پدیده‌های بنیادی جهان را تغییر دهند، بلکه کاربرد‌های عملی مهمی نیز در زمینه‌های مختلف از جمله پزشکی و صنعت به همراه داشته باشند.

یکی از این تحولات شگرف، موفقیت در طراحی و آزمایش شتاب‌دهنده‌های ذرات مینیاتوری است که به‌طور چشمگیری کوچک‌تر از مدل‌های سنتی هستند و می‌توانند پتانسیل‌هایی عظیم را برای توسعه فناوری‌های نوین ایجاد کنند. این پیشرفت‌ها به ویژه در حوزه‌هایی همچون درمان‌های سرطان، تصویربرداری‌های پیشرفته و حتی مطالعه مواد در مقیاس نانو، امیدبخش به نظر می‌رسند.

در این گزارش، به معرفی و بررسی دستاورد علمی اخیر در زمینه شتاب‌دهنده‌های نانوفتونیک می‌پردازیم که به‌عنوان کوچک‌ترین شتاب‌دهنده ذرات در جهان شناخته می‌شود و می‌تواند انقلابی در فیزیک و پزشکی ایجاد کند.

آزمایش موفق کوچک‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان و پتانسیل‌های آن در پزشکی و فیزیک

در یک پیشرفت مهم در دنیای فیزیک، دانشمندان موفق شدند کوچک‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان را آزمایش کنند؛ دستگاهی به اندازه یک سکه که می‌تواند تحولی در زمینه‌های مختلف علمی و پزشکی ایجاد کند. این شتاب‌دهنده میکروچیپی، که به نام شتاب‌دهنده الکترون نانوفتونیک (NEA) شناخته می‌شود، گامی بزرگ به سوی فناوری‌های شتاب‌دهنده ذرات مینیاتوری به شمار می‌آید.

پیش از این، شتاب‌دهنده‌های ذرات با استفاده از امواج فرکانس رادیویی و ساختار‌های فلزی ذرات باردار را شتاب می‌دادند. این روش‌ها، به دلیل محدودیت‌های میدان‌های فرکانس رادیویی، که تنها می‌توانند گرادیان‌های شتابی در محدوده مگاولت بر متر را تحمل کنند، به اندازه و هزینه قابل توجهی نیاز دارند. اما در شتاب‌دهنده نانوفتونیک از مواد دی‌الکتریک استفاده شده که قادر به تحمل میدان‌های نوری با قدرتی بیش از ۱۰ گیگاولت بر متر هستند. این ویژگی باعث می‌شود که شتاب‌دهنده‌های جدید قادر به تولید شتاب‌های بسیار بالاتر از سیستم‌های مبتنی بر فرکانس رادیویی شوند.

این فناوری جدید به نام شتاب‌دهنده لیزری دی‌الکتریک (DLA) شناخته می‌شود که با استفاده از ساختار‌های نانوفتونیک، قادر است تا ذرات باردار را در عرض ۵۰۰ میکرومتر، یعنی ۵۴ میلیون بار کوچک‌تر از شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در CERN، شتاب دهد.

شتاب‌دهنده نانوفتونیک (NEA) چیست؟

شتاب‌دهنده نانوفتونیک (Nanophotonic Electron Accelerator) یک دستگاه مینیاتوری است که به‌طور خاص برای شتاب دادن به ذرات باردار، مانند الکترون‌ها، طراحی شده است. این شتاب‌دهنده برخلاف شتاب‌دهنده‌های سنتی که از میدان‌های الکترومغناطیسی و امواج رادیویی برای تسریع ذرات استفاده می‌کنند، از مواد دی‌الکتریک و ساختار‌های نانوفتونیک بهره می‌برد.

دستگاه NEA، که به اندازه یک تراشه میکروچیپ است، از پرتو‌های لیزر برای تحریک ستون‌های ریز درون کانال‌های خلأ استفاده می‌کند. این ستون‌ها با ایجاد میدان‌های نوری خاص، باعث شتاب‌دهی الکترون‌ها در داخل دستگاه می‌شوند. ویژگی منحصر‌به‌فرد این شتاب‌دهنده این است که می‌تواند شتاب‌هایی به مراتب بالاتر از سیستم‌های سنتی را در اندازه‌ای بسیار کوچک تولید کند.

با طولی در حدود ۵۰۰ میکرومتر، این شتاب‌دهنده به‌طور چشم‌گیری کوچکتر از شتاب‌دهنده‌های بزرگ مقیاس مانند شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در CERN است که طولی برابر با ۲۷ کیلومتر دارد. به دلیل اندازه کوچک این دستگاه، می‌توان آن را به راحتی در دستگاه‌های پزشکی و ابزار‌های تحقیقاتی گنجاند. این ویژگی به شتاب‌دهنده نانوفتونیک این پتانسیل را می‌دهد که در آینده نه تنها در فیزیک ذرات، بلکه در علوم پزشکی، به‌ویژه در درمان‌های سرطان و تصویربرداری‌های پیشرفته، به‌کار گرفته شود.

دست‌آورد تاریخی: اولین آزمایش موفقیت‌آمیز شتاب‌دهنده روی تراشه

به گزارش برنا، تحقیقات اخیر که توسط محققان دانشگاه فردریش–آلکساندر ارلانگن–نورنبرگ (FAU) در آلمان انجام شده، نشان‌دهنده اولین آزمایش موفقیت‌آمیز از شتاب‌دهنده الکترون نانوفتونیک است. در این آزمایش، محققان توانستند الکترون‌ها را از ۲۸.۴ کیلو الکترون ولت (keV) به ۴۰.۷ کیلو الکترون ولت شتاب دهند که این معادل یک افزایش انرژی ۴۳ درصدی است. این موفقیت نه تنها نویدبخش تحولات چشم‌گیر در فیزیک ذرات است، بلکه پتانسیل‌های زیادی برای کاربرد‌های پزشکی و دیگر حوزه‌های علمی به همراه دارد.

این شتاب‌دهنده به‌طور قابل توجهی جمع‌وجورتر از شتاب‌دهنده‌های بزرگ است و به‌جای استفاده از آهنربا‌های ابررسانا برای شتاب دادن به ذرات، از پرتو‌های لیزر برای تحریک ستون‌های ریز درون میکروچیپ استفاده می‌کند. این فناوری اگرچه قدرت کمتری دارد، اما در مقایسه با شتاب‌دهنده‌های سنتی از نظر اندازه و کارایی انرژی‌ساز بسیار کارآمدتر است.

امکانات جدید در پزشکی: از شتاب‌دهنده‌های مینیاتوری تا درمان سرطان

محققان معتقدند که این شتاب‌دهنده می‌تواند در آینده کاربرد‌های وسیعی در پزشکی داشته باشد. الکترون‌های شتاب‌یافته توسط NEA می‌توانند در رادیوتراپی‌های دقیق مورد استفاده قرار گیرند و به درمان‌هایی با عوارض جانبی کمتر منجر شوند. یکی از اهداف اصلی توسعه این فناوری، استفاده از آن در دستگاه‌های پزشکی است. به عنوان مثال، در آینده ممکن است شتاب‌دهنده‌های مینیاتوری در آندوسکوپ‌ها برای درمان سرطان به کار روند و بتوانند تابش‌های شدید را به‌طور مستقیم به تومور‌ها منتقل کنند.

توماش کلوبا یکی از محققان اصلی این حوزه اشاره کرد که اگر این فناوری به اندازه کافی کوچک شود، می‌تواند در دستگاه‌های پزشکی قابل حمل مانند آندوسکوپ‌ها تعبیه شده و درمان‌های هدفمند و بسیار دقیق‌تری را به بیماران ارائه دهد.

آینده شتاب‌دهنده‌های مینیاتوری: انقلاب در علم و صنعت

این دستاورد علمی به نوعی دوران جدیدی را در فیزیک شتاب‌دهنده‌ها رقم می‌زند. در حالی که شتاب‌دهنده‌های بزرگ مقیاس همچنان برای تحقیقات بنیادی ضروری خواهند بود، شتاب‌دهنده‌های مینیاتوری می‌توانند تحولی عظیم در علوم پزشکی، الکترونیک، و مواد ایجاد کنند. با گسترش این فناوری، می‌توان انتظار داشت که شتاب‌دهنده‌های نانوفتونیک به ابزاری مهم در ابزار‌های تشخیصی، سیستم‌های تصویربرداری پیشرفته و مطالعات مواد در مقیاس نانو تبدیل شوند.

در مجموع، این فناوری جدید نه تنها به علمی‌ترین پروژه‌ها در فیزیک ذرات کمک می‌کند، بلکه می‌تواند زمینه‌ساز کاربرد‌های پزشکی نوین باشد و به طور قابل توجهی روش‌های درمانی و تشخیصی را بهبود بخشد.

این پیشرفت نشان می‌دهد که آینده فیزیک انرژی بالا نه تنها به دستگاه‌های بزرگ‌تر، بلکه به طراحی دستگاه‌هایی با اندازه‌های میکروسکوپی و با قابلیت‌های بسیار بیشتر خواهد بود.