Γιατί Αυτός ο Ανιχνευτής Είναι Μεγάλη Υπόθεση
Συμβαίνει κάτι αρκετά εντυπωσιακό στον κόσμο της επιστήμης και αξίζει τον ενθουσιασμό μας.
Ερευνητές στο BESSY II, έναν επιταχυντή σωματιδίων στη Γερμανία, άρχισαν να χρησιμοποιούν έναν νέο ανιχνευτή ακτίνων Χ με ευαισθησία έως και 1.000 φορές μεγαλύτερη από ό,τι είχαμε μέχρι τώρα. Εκατό φορές δέκα. Ναι, χίλιες.
Φαντάσου ότι είχες ένα ακουστικό που έπιανε ψιθύρους και ξαφνικά δημιουργούσαν ένα που ήταν χίλιες φορές καλύτερο. Θα άκουγες πράγματα εντελώς αόρατα πριν. Κάπως έτσι είναι η κατάσταση εδώ, αλλά αντί για ήχο μιλάμε για φωτόνια.
Πώς Λειτουργεί;
Ο ανιχνευτής ονομάζεται TES φασματογράφος — δηλαδή Transition Edge Sensor. Και η αρχή λειτουργίας του είναι πραγματικά εντυπωσιακή.
Μέσα του υπάρχουν 248 μικροσκοπικοί αισθητήρες. Όταν οι ακτίνες Χ χτυπούν ένα δείγμα και εκπέμπονται φωτόνια, αυτά προσγειώνονται στους αισθητήρες. Εδώ είναι το έξυπνο κομμάτι: οι αισθητήρες διατηρούνται στους 25 milli-Kelvin, δηλαδή περίπου -273 βαθμούς Κελσίου. Ψυχρότερα από το διάστημα. Η ψύξη γίνεται με ένα σύστημα dilution refrigerator, την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιούν τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα.
Σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία, οι αισθητήρες γίνονται υπεραγώγιμοι. Όταν ένα φωτόνιο χτυπήσει έναν, προκαλεί μια μικροσκοπική αύξηση θερμοκρασίας που διαταράσσει την υπεραγώγιμη κατάσταση και αλλάζει την ηλεκτρική αντίσταση. Οι επιστήμονες μετρούν αυτή την αλλαγή με τεράστια ακρίβεια χρησιμοποιώντας κυκλώματα SQUID.
Φαντάσου 248 εξαιρετικά ακριβείς θερμόμετρα που μπορούν να ανιχνεύσουν τη ζέστη ενός μόνο φωτονίου. Δεν είναι εντυπωσιακό;
Τι Μπορούν να Κάνουν οι Επιστήμονες;
Εδώ αρχίζει το ενδιαφέρον.
Παραδοσιακά, οι τεχνικές φασματοσκοπίας ακτίνων Χ απαιτούσαν τεράστιες ποσότητες φωτονίων. Αυτό σήμαινε ότι οι ερευνητές μπορούσαν να μελετήσουν μόνο πυκνά δείγματα ή υλικά σε μεγάλες ποσότητες. Αν είχες ένα πολύ λεπτό δείγμα — όπως ένα μόνο ατομικό στρώμα ενός υλικού — ξέχνα ότι θα έπαιρνες χρήσιμα δεδομένα.
Τώρα όμως; Τα πάντα άλλαξαν.
Οι επιστήμονες μπορούν πλέον να μελετήσουν:
- Υλικά πάχους ενός ατόμου
- Νανοδομές
- Δείγματα πολύ χαμηλής συγκέντρωσης που πριν δεν έδιναν αρκετό σήμα
- Κβαντικές ιδιότητες υλικών
- Εφαρμογές στη μοριακή χημεία και βιολογία
Κάτι που με εντυπωσίασε ιδιαίτερα: πειράματα που χρειάζονταν ώρες τώρα ολοκληρώνονται σε λεπτά. Δεν είναι απλώς μια ωραία βελτίωση — ανοίγει εντελώς νέες κατηγορίες πειραμάτων που απλά δεν ήταν πρακτικά πριν.
Ένας Νέος Παίκτης στον Περιορισμένο Κύκλο
Ένα ενδιαφέρον στοιχείο: πριν την εγκατάσταση αυτού, υπήρχαν μόνο πέντε TES φασματογράφοι σε εγκαταστάσεις ακτίνων Χ σε όλο τον κόσμο. Τέσσερις στις ΗΠΑ, ένας στην Ιαπωνία. Τέλος.
Το BESSY II φιλοξενεί πλέον τον μοναδικό TES φασματογράφο σε επιταχυντή σε όλη την Ευρώπη. Αυτό το κάνει ξεχωριστό και πιθανώς πολύ ελκυστικό για ερευνητές σε όλη την ήπειρο.
Το σύστημα είναι εγκατεστημένο στην δέσμη ακτίνων UE52-SGM, που προσφέρει πλήρη έλεγχο πόλωσης. Μελλοντικές αναβαθμίσεις θα περιλαμβάνουν βελτιωμένες δυνατότητες προετοιμασίας δειγμάτων και τη δυνατότητα μελέτης υλικών σε μαγνητικά πεδία.
Γιατί Πρέπει να Να Να Το Νοιαζόμαστε;
Ξέρω τι σκέφτεσαι — αυτό ακούγεται πολύ "εργαστήριο και δοκιμαστικοί σωλήνες", αλλά γιατί να με απασχολεί;
Να γιατί: η κατανόηση των υλικών σε κβαντικό επίπεδο είναι ο τρόπος να φτιάξουμε καλύτερες μπαταρίες, να αναπτύξουμε νέα φάρμακα, να δημιουργήσουμε πιο αποδοτικά φωτοβολταϊκά και να σχεδιάσουμε ταχύτερους υπολογιστές. Όταν μπορούμε να μελετήσουμε υλικά που ήταν πολύ λεπτά ή πολύ αραιά για ανάλυση, ξεκλειδώνουμε δυνατότητες για τεχνολογίες που θα επηρεάσουν τις ζωές όλων μας.
Επιπλέον, υπάρχει κάτι υπέροχο στην ανθρώπινη ευρηματικότητα — το γεγονός ότι μπορούμε να ψύξουμε κάτι σε θερμοκρασίες ψυχρότερες από το διάστημα και να χρησιμοποιήσουμε την κβαντική φυσική για να ανιχνεύσουμε μεμονωμένα φωτόνια. Είναι από αυτά που κάνουν την επιστήμη να μοιάζει με μαγεία, εκτός του ότι είναι αληθινή.
Η ομάδα ήδη δέχεται προτάσεις έρευνας από επιστήμονες που θέλουν να χρησιμοποιήσουν αυτό το αξιοσημείωτο όργανο. Ανυπομονώ πραγματικά να δω τι ανακαλύψεις θα προκύψουν.
Πηγή: ScienceDaily — New superconducting X-ray detector is up to 1,000 times more sensitive