پوسته‌های کوانتومی می‌توانند به تشخیص بسیار سریع ذرات پرانرژی کمک کنند
محققان آزمایشگاه ملی آرگون (ANL) پوسته‌های نانومقیاس کوانتومی توسعه داده‌اند که به عنوان سنسورهای الکترونی و پرتو ایکس پیشرفته عمل می‌کنند. این نوآوری می‌تواند به پیشرفت‌های هیجان‌انگیز در فیزیک ذرات، تصویر برداری پزشکی و فناوری‌های دفاعی مبتنی بر پرتو ایکس منجر شود.
سینتیلاتور ماده‌ای است که وقتی توسط ذرات پرانرژی مانند پرتوهای ایکس یا پرتوهای گاما برخورد می‌کند، فلش‌هایی از نور را منتشر می‌کند. سپس این نور تشخیص داده می‌شود و برای اندازه‌گیری یا تصویر برداری از انرژی و حضور این ذرات استفاده می‌شود.
"کاربرد روزمره تکنولوژی سینتیلاتور را می‌توان در دفتر دندانپزشکی پیدا کرد، جایی که پرتوهای ایکس از دهان بیمار عبور داده می‌شوند و بر روی فیلمی از ماده واکنش‌پذیر می‌افتند که تصویر دندان‌ها را برای دندانپزشک برای بررسی نقص‌های احتمالی به جا می‌گذارد," محققان گفتند .
سینتیلاتورها در تصویر برداری پزشکی و کاربردهای دیگری که از ذرات پرانرژی استفاده می‌کنند بسیار مهم هستند. با این حال، محدودیت بزرگ سینتیلاتورهای سنتی این است که دانشمندان اغلب باید بین دو گزینه انتخاب کنند: تصویر برداری سریع یا بهترین عملکرد.
به گفته محققان، سینتیلاتورهای پوسته کوانتومی جدید توسعه یافته می‌توانند این مشکل را برطرف کنند.
پوسته‌های کوانتومی سریع‌تر و بهتر هستند
وقتی دانشمندان از یک سینتیلاتور سنتی که نتایج سریعی فراهم می‌کند استفاده می‌کنند، اغلب باید بر روی دقت یا وضوح سازش کنند. به همین شکل، وقتی یک سینتیلاتور را که بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد انتخاب می‌کنند، فرایند کند و وقت‌گیر می‌شود.
"فناوری‌های سنتی سینتیلاتور برای دستیابی به عملکرد بهینه و عملکرد سریع بالا با چالش‌هایی مواجه هستند. ما ساختارهای هتروکولوییدی پوسته کوانتومی را به عنوان سینتیلاتورهای پرتو ایکس و الکترون معرفی می‌کنیم که بهره‌وری، سرعت و دوام را با هم ترکیب می‌کنند," محققان گفتند .
آنچه سینتیلاتورهای پوسته کوانتومی را سریع و دقیق می‌کند این است که وقتی پرتوهای ایکس به آن‌ها برخورد می‌کنند، فقط برای چند نانوثانیه نور (درخشش) می‌کنند. در مقابل، سینتیلاتورهای سنتی برای صدها نانوثانیه درخشش می‌کنند.
زمان درخشش کوتاه‌تر به تصویربرداری سریع‌تر و دقیق‌تر کمک می‌کند. "سینتیلاتور پوسته کوانتومی یک عمر نانوثانیه‌ای تک رقمی به دست می‌آورد، در حالی که سطوح بهره‌وری را معادل سینتیلاتورهای سنتی حفظ می‌کند," بنجامین دی‌رل، یکی از محققان گفت.
این امر به خصوص در هنگام تصویربرداری از رویدادهای سریع یا در موقعیت‌هایی که زمان‌بندی بحرانی است مفید است. اگر درخشش بیش از حد طولانی بماند، می‌تواند تصویر را تار کند یا فرایند تشخیص را کند کند، که مشاهده تغییرات سریع را دشوار می‌سازد.
علاوه بر این، سینتیلاتورهای سنتی به ضخامت میلی‌متر هستند و باعث می‌شود نور از مناطق مختلف منتشر شود و تصاویر تار ایجاد شود. در مقابل، سینتیلاتورهای پوسته کوانتومی به صورت فیلم‌های نازک بر روی زیرساخت‌ها ساخته می‌شوند.
"ما متوجه شدیم که می‌توانیم سینتیلاتورهای پوسته کوانتومی را بسیار نازک‌تر، تنها چند میکرومتر بسازیم در حالی که هم جذب پرتو ایکس قوی و هم تصویربرداری با وضوح بالای فضایی را به دست می‌آوریم," بوراک گوزلتورک، محقق اصلی و فیزیکدان ANL گفت.
سینتیلاتورهایی با پتانسیل بی‌پایان
کاربرد پوسته‌های کوانتومی به پرتوهای ایکس دندانی و سایر انواع تشخیص‌های پزشکی محدود نمی‌شود.
به گفته محققان، می‌توان آن را به همراه منابع پرتو ایکس قوی مانند منبع پرتو پیشرفته (APS) برای تشخیص‌های بسیار سریع ذرات پرانرژی و تولید تصاویر با کیفیت بالا استفاده کرد.
APS یک تسهیل فناوری پیشرفته در ANL است که باریکه‌های پرانرژی پرتو ایکس تولید می‌کند تا ساختار و خواص مجموعه‌ای گسترده از مواد از جمله نمونه‌های زیستی، ماشین‌آلات، فلزات و سایر مواد را بررسی کند.
به عنوان مثال، اگر بخواهید بفهمید چگونه یک موتور کار می‌کند در حالی که در حال کار است با سوخت درونش، می‌توانید ابتدا از APS برای شلیک پرتوهای ایکس که از طریق موتور عبور می‌کنند استفاده کنید.
سپس سینتیلاتورهای پوسته کوانتومی پرتوهای ایکس را تشخیص داده و به ایجاد تصاویر با وضوح بالا کمک می‌کنند و به شما اجازه می‌دهند ساختار داخلی موتور و نحوه عملکرد آن را در زمان واقعی ببینید.
"با بهره‌گیری از خواص نوری و الکترونیکی منحصر به فرد خود، محققان می‌توانند جبهه‌های جدیدی در زمینه‌هایی از فیزیک ذرات تا تشخیص‌های پزشکی باز کنند," پژوهشگران اشاره کردند.
مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
