पहली बार, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनों को गति देने के लिए एक नैनोडिवाइस का सफलतापूर्वक उपयोग किया है। कण त्वरक उद्योग, अनुसंधान और चिकित्सा सहित कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण उपकरण हैं। इन मशीनों के लिए आवश्यक स्थान कुछ वर्ग मीटर से लेकर बड़े अनुसंधान केंद्रों तक होता है। फोटोनिक नैनोस्ट्रक्चर में इलेक्ट्रॉनों को तेज करने के लिए लेजर का उपयोग करना एक सूक्ष्म विकल्प है जिसमें लागत को काफी कम करने और उपकरणों को काफी छोटा करने में सक्षम बनाने की क्षमता है।
अब तक, इस बात का कोई सबूत नहीं है कि यह दृष्टिकोण ऊर्जा में उल्लेखनीय वृद्धि कर सकता है। दूसरे शब्दों में, यह सिद्ध नहीं हुआ है कि इलेक्ट्रॉनों की गति वास्तव में उल्लेखनीय रूप से बढ़ी है। अब, फ्रेडरिक-अलेक्जेंडर-यूनिवर्सिटी एर्लांगेन-नूरेमबर्ग (एफएयू) के लेजर भौतिकविदों की एक टीम ने स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के सहयोगियों के साथ मिलकर पहले नैनोफोटोनिक इलेक्ट्रॉन त्वरक का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है।
कण त्वरक और उनके नैनोफोटोन विकास
जब लोग "कण त्वरक" सुनते हैं, तो ज्यादातर लोग संभवतः जिनेवा में सीईआरएन में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के बारे में सोचते हैं। 27 किलोमीटर लंबी इस गोलाकार सुरंग का उपयोग दुनिया भर के शोधकर्ताओं द्वारा अज्ञात प्राथमिक कणों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। हालाँकि, यह विशाल कण त्वरक एक अपवाद है। हमें अपने दैनिक जीवन में कहीं और उनका सामना करने की अधिक संभावना है, जैसे कि चिकित्सा इमेजिंग प्रक्रियाओं या ट्यूमर के विकिरण उपचार के दौरान। हालाँकि, फिर भी, ये उपकरण अभी भी कई मीटर आकार के हैं, काफी भारी हैं, और प्रदर्शन के मामले में बहुत कुछ बाकी है।
मौजूदा उपकरणों के आकार को सुधारने और कम करने के प्रयास में, दुनिया भर के भौतिक विज्ञानी ढांकता हुआ लेजर त्वरक पर काम कर रहे हैं, जिन्हें नैनोफोटोन त्वरक के रूप में भी जाना जाता है। उनके द्वारा उपयोग की जाने वाली संरचना केवल 0.5 मिलीमीटर लंबी है, और जिस चैनल के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को त्वरित किया जाता है वह केवल 225 नैनोमीटर चौड़ा है, जिससे ये त्वरक कंप्यूटर चिप्स जितने छोटे हो जाते हैं।
कणों को अल्ट्राशॉर्ट लेजर पल्स द्वारा त्वरित किया जाता है जो नैनोस्ट्रक्चर को रोशन करते हैं। हाल ही में प्रकाशित पेपर के चार प्रमुख लेखकों में से एक, डॉ. टॉमस क्लोबा बताते हैं, "हमारा सपना एक एंडोस्कोप पर एक कण त्वरक स्थापित करना होगा ताकि शरीर के प्रभावित हिस्सों में सीधे विकिरण चिकित्सा प्रदान की जा सके।"
यह सपना अभी भी लेजर भौतिकी विभाग की एफएयू टीम के लिए पहुंच से बाहर हो सकता है, जिसका नेतृत्व प्रोफेसर पीटर होमेलहॉफ़ और डॉक्टर्स ने किया है। टॉमस क्लोबा, डॉ. रॉय शिलोह, स्टेफनी क्रॉस, लियोन ब्रुकनर और जूलियन लिट्ज़ेल, लेकिन वे अब नैनोफोटोनिक इलेक्ट्रॉन त्वरक का प्रदर्शन करके सही दिशा में एक निर्णायक कदम उठाने में कामयाब रहे हैं। डॉ. रॉय शिलोह ने उत्साह से कहा: "पहली बार, हम वास्तव में एक चिप पर कण त्वरक लागू कर सकते हैं।"
निर्देशित इलेक्ट्रॉन + त्वरण = कण त्वरक
ठीक दो साल पहले, अनुसंधान टीम ने अपनी पहली बड़ी सफलता हासिल की: उन्होंने वैक्यूम चैनल में इलेक्ट्रॉनों के लंबी दूरी के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए प्रारंभिक त्वरण सिद्धांत से वैकल्पिक चरण फोकसिंग (एपीएफ) विधि का सफलतापूर्वक उपयोग किया। कण त्वरक के निर्माण की दिशा में यह एक महत्वपूर्ण कदम है। अब, आपको बहुत अधिक शक्ति प्राप्त करने के लिए केवल त्वरण की आवश्यकता है।
स्टेफ़नी क्रॉस बताती हैं, "इस तकनीक का उपयोग करके, अब हम न केवल इलेक्ट्रॉनों को निर्देशित करने में सफल हुए हैं, बल्कि इन नैनोफैब्रिकेटेड संरचनाओं में उन्हें तेज करने में भी सफल हुए हैं, जिनकी लंबाई आधा मिलीमीटर तक है।" लियोन ब्रुकनर बताते हैं, "हालांकि यह कई लोगों के लिए एक बड़ी उपलब्धि की तरह नहीं लग सकता है, यह त्वरक भौतिकी के क्षेत्र में एक बड़ी सफलता है, और हम 12 किलोइलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा प्राप्त करते हैं।"
इतनी बड़ी दूरी (नैनोमीटर पैमाने से) तक कणों को तेज करने के लिए, एफएयू के भौतिकविदों ने एपीएफ विधि को विशेष रूप से विकसित बेलनाकार ज्यामिति के साथ जोड़ा।
हालाँकि, यह प्रदर्शन अभी शुरुआत है. अब लक्ष्य ऊर्जा और इलेक्ट्रॉन वर्तमान लाभ को बढ़ाना है ताकि ऑन-चिप कण त्वरक चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त हों। ऐसा करने के लिए, ऊर्जा लाभ को लगभग 100 गुना बढ़ाना होगा। टॉमस क्लोबा बताते हैं कि एफएयू लेजर भौतिकविदों के लिए आगे क्या है।
एर्लांगेन लेजर भौतिकविदों के शोध के परिणाम संयुक्त राज्य अमेरिका में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में उनके सहयोगियों द्वारा लगभग एक साथ प्रस्तुत किए गए थे: उनके परिणाम वर्तमान में समीक्षाधीन हैं लेकिन डेटाबेस में देखे जा सकते हैं। गॉर्डन और बेट्टी मूर फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित एक परियोजना में, दोनों टीमें "चिप पर त्वरक" को लागू करने के लिए सहयोग कर रही हैं।
गॉर्डन और बेट्टी मूर फाउंडेशन के डॉ. गैरी ग्रीनबर्ग ने कहा, "2015 में, FAU और स्टैनफोर्ड के नेतृत्व वाली ACHIP टीम के पास कण त्वरक डिजाइन के लिए एक क्रांतिकारी दृष्टिकोण था।" "हमें खुशी है कि हमारे समर्थन ने इस दृष्टिकोण को वास्तविकता में बदलने में मदद की है।"