수정 장치는 작은 입자 가속기를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

칩 크기의 장치는 작은 X선 기계와 입자 가속기를 만드는 데 도움이 될 수 있는 매우 강한 빛을 생성할 수 있습니다.

카르멜라 파다빅-칼라한(Karmela Padavic-Callaghan)

2023년 1월 4일

빛을 가두고 방향을 바꿀 수 있는 물질인 광결정의 그림

J. Joannopoulous/과학 사진 라이브러리

결정판 위에 전자빔을 발사하여 빛을 생성하는 마이크로미터 크기의 장치는 작은 입자 가속기와 X선 기계를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 칩 크기의 장치는 현재의 입자 가속기보다 더 빠르고 저렴하며 컴팩트하게 제조될 수 있습니다.

홍콩 대학의 Yi Yang과 MIT의 동료들이 제작한 이 새로운 장치는 광결정이라고 불리는 특별한 실리콘 조각, 그 위에 전자 빔을 발사하는 변형된 주사 전자 현미경, 그리고 방출된 빛을 감지하는 장치. 이 설정은 전자가 이동할 때 전자를 둘러싸는 전자기장을 활용하여 인근 물질(이 경우 광결정) 내의 하전 입자를 여기시켜 빛을 방출할 수 있습니다.

수학적 모델을 통해 연구자들은 전자에 패턴을 추가하여 결정과 전자 사이의 상호 작용을 향상시킬 수 있다는 것을 알고 각각 약 100나노미터 너비의 원형 격자를 에칭했습니다. 빛과 전자는 일반적으로 많이 상호 작용하지 않지만 빛의 에너지와 운동량을 전자의 에너지와 운동량과 일치하도록 설계하면 둘 사이에 비정상적으로 큰 상호 작용이 가능해집니다. 이 매칭 방법은 결국 광 방출을 최대 백만 배까지 향상시킬 수 있다고 Yang은 말했습니다.

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그 빛은 과학자들이 다양한 물질의 내부 구조에 대해 배우는 데 도움이 되는 분광학부터 빛 기반 의사소통에 이르기까지 많은 잠재적인 용도를 가지고 있습니다.

특히 독일 에를랑겐-뉘른베르크 대학의 피터 호멜호프(Peter Hommelhoff)는 작은 입자 가속기를 만드는 데 사용될 수 있다고 말했습니다. 연구원들은 더 일반적인 것처럼 마이크로파로 입자를 때리는 대신 입자를 가속하기 위해 강렬한 광 펄스를 사용할 수 있다고 그는 말했습니다.

영국 요크 대학의 토마스 크라우스(Thomas Krauss)는 새로운 장치가 작은 입자 가속기뿐만 아니라 더 작은 X선 기계를 향한 한 걸음이 될 수 있다고 말했습니다. X선은 본질적으로 우리가 볼 수 없을 만큼 파장이 너무 짧은 광파입니다. 실리콘 패턴과 장치 내 전자의 속도를 조정함으로써 방출된 빛의 파장을 X선으로 변경하는 것이 가능할 수도 있습니다.

“의사에게 엑스레이를 찍을 때 그것은 기계의 거대한 짐승과도 같습니다. 이제 우리는 칩에 작은 광원을 사용하여 이를 수행하는 것을 상상할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. 이를 통해 소규모 또는 원격 의료 시설에서 엑스레이 기술에 더 쉽게 접근할 수 있게 되거나 사고 시 최초 대응자가 사용할 수 있도록 휴대할 수 있게 될 것입니다.

자연 DOI: 10.1038/s41586-022-05387-5

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