شتاب‌دهنده ذرات رومیزی می‌تواند پزشکی و علم مواد را متحول کند
در یک پروژه پژوهشی جدید، همکارانم و من دریافت کردیم که شتاب‌دهنده‌ای که پرتوهای ایکس شدید تولید می‌کند، می‌تواند به‌صورت دستگاهی کوچک فشرده شود که روی یک میز جای می‌گیرد.
در حال حاضر پرتوهای ایکس شدید از طریق تسهیلاتی به نام منبع نور سینکروترون تولید می‌شوند. این تسهیلات برای مطالعهٔ مواد، مولکول‌های دارویی و بافت‌های زیستی به‌کار می‌روند. با این حال، کوچک‌ترین سینکروترون‌های موجود تقریباً به اندازهٔ یک استادیوم فوتبال هستند.
پژوهش ما که برای انتشار در مجله Physical Review Letters پذیرفته شده است، نشان می‌دهد که ساختارهای ریز به نام نانو لوله‌های کربنی و نور لیزر می‌توانند پرتوهای ایکس درخشان را بر روی میکروچیپ تولید کنند. اگرچه این دستگاه هنوز در مرحلهٔ مفهوم‌سازی است، اما می‌تواند پزشکی، علم مواد و سایر رشته‌ها را دگرگون کند.
اکثریت مردم شتاب‌دهنده‌های ذره را به‌عنوان ماشین‌های عظیم، حلقه‌های بزرگ فلزی و مغناطیسی که به‌صورت کیلومترها زیر زمین کشیده شده‌اند، تصور می‌کنند. به‌عنوان مثال، شتاب‌دهندهٔ بزرگ هادرون در سرن (سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای) در ژنو، طولی برابر با ۲۷ کیلومتر (۱۷ مایل) دارد.
پژوهش جدید نشان می‌دهد که به‌زودی می‌توان شتاب‌دهنده‌های فوق‌کم‌حجم با عرض تنها چند میکرومتر – حتی کمتر از عرض یک موی انسان – ساخت. این دستگاه‌ها می‌توانند پرتوهای ایکس منسجم و پرانرژی تولید کنند که شبیه به پرتوهای تولیدی توسط تسهیلات سینکروترونی میلیارد پوندی هستند، اما به‌صورت دستگاه‌هایی که بر روی میکروچیپ نصب می‌شوند.
نور چرخشی
اصل بر ویژگی خاصی از نور به نام پلاریتون‌های سطحی پلاسمونی استوار است. این امواج زمانی شکل می‌گیرند که نور لیزر به سطح ماده می‌چسبند. در شبیه‌سازی‌ها، پالس لیزری قطبی‌شده به‌صورت چرخشی از یک لولهٔ توخالی ریز عبور داد. این پالس قطبی‌شده همان نوری است که هنگام حرکت می‌چرخد، شبیه به پیچ‌پیچانی.
میدان گردابی الکترون‌ها را درون لوله به دام انداخته و شتاب می‌دهد و آنها را به حرکت مارپیچی وادار می‌کند. همان‌طورکه این الکترون‌ها به‌همزمان حرکت می‌کنند، تابش همگنی منتشر می‌سازند که باعث تقویت شدت نور تا صد برابر می‌شود.
من و تیمم یک سینکروترون میکروسکوپی ساخته‌ایم که در آن همان اصول فیزیکی که تسهیلات به مقیاس مایلی را راه‌اندازی می‌کند، اما در صحنه‌ای نانو مقیاس به اجرا در می‌آید.
برای عملی کردن این مفهوم، از نانو لوله‌های کربنی استفاده شد. این ساختارهای استوانه‌ای از اتم‌های کربن در الگوهای شش‌ضلعی تشکیل شده‌اند. نانو لوله‌ها می‌توانند میدان‌های الکتریکی بسیار بالایی را تحمل کنند؛ صدها برابر قوی‌تر از میدان‌های موجود در شتاب‌دهنده‌های سنتی. همچنین می‌توان آنها را به‌صورت عمودی «پرورش داد» تا به‌یک «جنگل» از لوله‌های توخالی نزدیک به هم تبدیل شوند.
این معماری منحصربه‌فرد محیطی ایده‌آل برای ترکیب نور لیزری مارپیچی با الکترون‌ها فراهم می‌کند. لیزر قطبی‌شده به‌صورت چرخشی با ساختار داخلی نانو لوله سازگار است — همانند کلیدی که در قفل می‌گیرد؛ به همین دلیل ما این سازوکار را «قفل‑کلید کوانتومی» می‌نامیم.
تیمی که من بخشی از آن هستم، تحت رهبری بایفنگ لی، همکار پژوهشی در مدرسه علوم فیزیکی، کار می‌کرد. شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی نشان دادند که این تعامل می‌تواند میدان‌های الکتریکی به‌میزان چند تراولتا (یک تریلیون ولت) در هر متر تولید کند؛ که بسیار فراتر از توانایی‌های فناوری‌های شتاب‌دهندهٔ کنونی است.
این‌چنین عملکردی می‌تواند دسترسی به منابع پیشرفتهٔ پرتوهای ایکس را تغییر دهد. در حال حاضر، دانشمندان برای استفاده از زمان محدود در تسهیلات بزرگ ملی سینکروترونی یا لیزرهای آزاد الکترونی باید درخواست دهند و معمولاً برای چند ساعت زمان پرتو، ماه‌ها منتظر می‌مانند.
باز کردن دسترسی
رویکرد شتاب‌دهنده رومیزی می‌تواند این قابلیت را در بیمارستان‌ها، دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های صنعتی فراهم کند؛ در واقع، در هر مکانی که نیاز باشد.
در حوزه پزشکی، این به معنای ماموگرافی‌های واضح‌تر و تکنیک‌های تصویربرداری جدیدی است که با جزئیات بی‌سابقهٔ بافت‌های نرم را بدون نیاز به عوامل کنتراست آشکار می‌کند. در توسعه دارو، پژوهشگران می‌توانند ساختارهای پروتئینی را به‌صورت داخلی تجزیه و تحلیل کنند و به‌طور چشمگیری سرعت طراحی درمان‌های جدید را افزایش دهند. و در علم مواد و مهندسی نیمه‌رسانا، می‌تواند امکان آزمون‌های غیر مخرب و با سرعت بالا برای قطعات حساس فراهم کند.
این مطالعه در کارگاه NanoAc 2025 دربارهٔ نانو فناوری در فیزیک شتاب‌دهنده که در اوایل این ماه در لیورپول برگزار شد، ارائه شد. پژوهش در حال حاضر در مرحلهٔ شبیه‌سازی باقی مانده است، اما اجزای مورد نیاز از پیش موجود هستند: لیزرهای قدرتمند با قطبیته چرخشی و ساختارهای نانو لوله با دقت بالا ابزارهای استاندارد در آزمایشگاه‌های پیشرفته پژوهشی هستند.
گام بعدی تأیید تجربی است. در صورت موفقیت، این نقطه آغاز نسل جدیدی از منابع تابش فوق‌کم‌حجم خواهد بود. آنچه من را بیش از همه دربارهٔ این فناوری هیجان‌زده می‌کند، نه تنها فیزیک آن، بلکه معنای آن است.
شتاب‌دهنده‌های بزرگ‌مقیاس پیشرفت علمی عظیمی را فراهم کرده‌اند، اما برای اکثر مؤسسات دسترسی‌پذیر نیستند. یک شتاب‌دهنده مینیاتوری که عملکردی قابل مقایسه ارائه می‌دهد، می‌تواند دسترسی به ابزارهای پژوهشی در سطح جهانی را دموکراتیک کند و علم پیشرفته را به دست تعداد بیشتری از پژوهشگران برساند.
آیندهٔ شتاب‌دهی ذرات ممکن است شامل ماشین‌های بسیار بزرگ برای پیشبرد بیشتر مرزهای انرژی، شدت و کشف باشد، همان‌طور که دستگاه‌های کوچکتر، هوشمندتر و قابل دسترس‌تر نیز توسعه می‌یابند.