Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Powstał akcelerator cząstek w... układzie scalonym. Udoskonali radioterpię i badania naukowe

Recommended Posts

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda i SLAC National Accelerator Laboratory stworzyli pierwszy na świecie akcelerator cząstek na chipie. Za pomocą podczerwonego lasera na długości ułamka średnicy ludzkiego włosa można cząstkom nadać energię, którą  mikrofale nadają im na przestrzeni wielu metrów.

Akcelerator na chipie to prototyp, ale profesor Jelena Vuckovic, która kierowała zespołem badawczym, mówi, że zarówno projekt jak i techniki produkcyjne, można skalować tak, by uzyskać strumienie cząstek o energiach wystarczających do prowadzenia zaawansowanych eksperymentów chemicznych, biologicznych czy z nauk materiałowych. Akcelerator na chipie przyda się wszędzie tam, gdzie nie są wymagane najwyższe dostępne energie.

Największe akceleratory są jak potężne teleskopy. Na świecie jest ich tylko kilka i naukowcy muszą przyjeżdżać do takich miejsc jak SLAC by prowadzić eksperymenty. Chcemy zminiaturyzować technologię akceleratorów, by stała się ona bardziej dostępnym narzędziem naukowym, wyjaśnia.

Uczeni porównują swoje osiągnięcie do przejścia od potężnych mainframe'ów do posiadających mniejszą moc obliczeniową, ale wciąż użytecznych, pecetów. Fizyk Robert Byer mówi, że technologia accelerator-on-a-chip może doprowadzić do rozwoju nowych metod radioterapii nowotworów. Obecnie maszyny do radioterapii do wielkie urządzenia emitujące promieniowanie na tyle silne, że może ono szkodzić zdrowym tkankom. W naszym artykule stwierdzamy, że może być możliwe skierowanie strumienia cząstek precyzyjnie na guza, bez szkodzenia zdrowym tkankom, mówi uczony.

Za każdym razem, gdy laser emituje impuls – a robi to 100 000 razy na sekundę – fotony uderzają w elektrony i je przyspieszają. Wszystko to ma miejsce na przestrzeni krótszej niż średnica ludzkiego włosa.

Celem grupy Vukovic jest przyspieszenie elektronów do 94% prędkości światła, czyli nadanie im energii rzędu 1 MeV (milion elektronowoltów). W ten sposób otrzymamy przepływ cząstek o energii na tyle dużej, że będzie je można wykorzystać w medycynie czy badaniach naukowych.

Stworzony obecnie prototyp układu zawiera 1 kanał przyspieszający. Do nadania energii 1 MeV potrzebnych będzie tysiąc takich kanałów. I, wbrew pozorom, będzie to prostsze niż się wydaje. Jako, że mamy tutaj w pełni zintegrowany układ scalony, znajdują się już w nim wszystkie elementy potrzebne do wykonania zadania. Vukovic twierdzi że do końca bieżącego roku powstanie chip w którym elektrony zyskają energię 1 MeV. Będzie on miał długość około 2,5 centymetra.

Inżynier Olav Solgaard nie czeka na ukończenie prac nad chipem. Już teraz zastanawia się nad wykorzystaniem go w onkologii. Obecnie wysokoenergetyczne elektrony nie są używane w radioterapii, gdyż doprowadziłyby do oparzeń skóry. Dlatego też Solgaard pracuje rodzajem lampy elektronowej, którą wprowadzałoby się chirurgicznie w pobliże guza i traktowało chorą tkankę strumieniem elektronów generowanych przez akcelerator na chipie.

Warto w tym miejscu przypomnieć o rewolucyjnym laserze BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator), o którym informowaliśmy przed kilku laty. To najpotężniejszy kompaktowy akcelerator na świecie. Na przestrzeni 1 metra nadaje on cząstkom energie liczone w gigaelektronowoltach (GeV).


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Światło posiada niezwykle interesującą cechę. Jego fale o różnej długości nie wchodzą ze sobą w interakcje. Dzięki temu można jednocześnie przesyłać wiele strumieni danych. Podobnie, światło o różnej polaryzacji również nie wchodzi w interakcje. Zatem każda z polaryzacji mogłaby zostać wykorzystana jako niezależny kanał przesyłania i przechowywania danych, znakomicie zwiększając gęstość informacji.
      Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego poinformowali właśnie o opracowaniu metody wykorzystania polaryzacji światła do zmaksymalizowania gęstości danych. Wszyscy wiemy, że przewaga fotoniki nad elektronika polega na tym, że światło przemieszcza się szybciej i jest bardziej funkcjonalne w szerokich zakresach. Naszym celem było wykorzystanie wszystkich zalet fotoniki połączonych z odpowiednim materiałem, dzięki czemu chcieliśmy uzyskać szybsze i gęstsze przetwarzanie informacji, mówi główny autor badań, doktorant June Sang Lee.
      Jego zespół, we współpracy z profesorem C. Davidem Wrightem z University of Exeter, opracował nanowłókno HAD (hybrydyzowane-aktywne-dielektryczne). Każde z nanowłókien wyróżnia się selektywną reakcją na konkretny kierunek polaryzacji, zatem możliwe jest jednoczesne przetwarzanie danych przenoszonych za pomocą różnych polaryzacji. Stało się to bazą do stworzenia pierwszego fotonicznego procesora wykorzystującego polaryzację światła. Szybkość obliczeniowa takiego procesora jest większa od procesora elektronicznego, gdyż poszczególne nanowókna są modulowane za pomocą nanosekundowych impulsów optycznych. Nowy układ może być ponad 300-krotnie bardziej wydajny niż współczesne procesory.
      To dopiero początek tego, co możemy osiągnąć w przyszłości, gdy uda się nam wykorzystać wszystkie stopnie swobody oferowane przez światło, w tym polaryzację. Dzięki temu uzyskamy niezwykły poziom równoległego przetwarzania danych. Nasze prace wciąż znajdują się na bardzo wczesnym etapie, dlatego też szacunki dotyczące prędkości pracy takiego układu wciąż wymagają eksperymentalnego potwierdzenia. Mamy jednak niezwykle ekscytujące pomysły łączenia elektroniki, materiałów nieliniowych i komputerów, komentuje profesor Harish Bhakaran, który od ponad 10 lat prowadzi prace nad wykorzystaniem światła w technologiach obliczeniowych.
      Ze szczegółami pracy można zapoznać się w artykule Polarisation-selective reconfigurability in hybridized-active-dielectric nanowires opublikowanym na łamach Science Advances.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Urządzenia elektroniczne pracują coraz szybciej i szybciej.Jednak w pewnym momencie dotrzemy do momentu, w którym prawa fizyki nie pozwolą na dalsze ich przyspieszanie. Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Wiedniu, Uniwersytetu Technologicznego w Grazu i Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Garching określili najkrótszą skalę czasową, w której mogą pracować urządzenia optoelektroniczne.
      Podzespoły elektroniczne pracują w określonych interwałach czasowych i z sygnałami o określonej długości. Procesy kwantowo-mechaniczne, które umożliwiają wygenerowanie sygnału, trwają przez pewien czas. I to właśnie ten czas ogranicza tempo generowania i transmisji sygnału. Jego właśnie udało się określić austriacko-niemieckiemu zespołowi.
      Naukowcy, chcąc dotrzeć do granic tempa konwersji pól elektrycznych w sygnał elektryczny, wykorzystali impulsy laserowe, czyli najbardziej precyzyjne i najszybsze dostępne nam pola elektromagnetyczne. O wynikach swoich badań poinformowali na łamach Nature Communications.
      Badaliśmy materiały, które początkowo w ogóle nie przewodzą prądu, mówi profesor Joachim Burgdörfer z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Technologicznego w Wiedniu. Materiały te oświetlaliśmy ultrakrótkimi impulsami lasera pracującego w ekstremalnym ultrafiolecie. Impulsy te przełączały wzbudzały elektrony, które wchodziły na wyższy poziom energetyczny i zaczynały się swobodnie przemieszczać. W ten sposób laser zamieniał na krótko nasz materiał w przewodnik. Gdy tylko w materiale pojawiały się takie swobodne elektrony, naukowcy z pomocą drugiego, nieco dłuższego impulsu laserowego, przesuwali je w konkretnym kierunku. W ten sposób dochodziło do przepływu prądu elektrycznego, który rejestrowano za pomocą elektrod po obu stronach materiału.
      Cały proces odbywał się w skali atto- i femtosekund. Przez długi czas uważano, że zjawiska te powstają natychmiast. Jednak obecnie dysponujemy narzędziami, które pozwalają nam je precyzyjnie badać, wyjaśnia profesor Christoph Lemell z Wiednia. Naukowcy mogli więc odpowiedzieć na pytanie, jak szybko materiał reaguje na impuls lasera, jak długo trwa generowanie sygnału i jak długo sygnał ten trwa.
      Eksperyment był jednak obarczony pewną dozą niepewności związaną ze zjawiskami kwantowymi. Żeby bowiem zwiększyć tempo, konieczne były ekstremalnie krótkie impulsy lasera, by maksymalnie często dochodziło do tworzenia się wolnych elektronów. Jednak wykorzystanie ultrakrótkich impulsów oznacza, że nie jesteśmy w stanie precyzyjnie zdefiniować ilości energii, jaka została przekazana elektronom. Możemy dokładnie powiedzieć, w którym momencie w czasie dochodziło do tworzenia się ładunków, ale nie mogliśmy jednocześnie określić, w jakim stanie energetycznym one były. Ciała stałe mają różne pasma przewodzenia i przy krótkich impulsach laserowych wiele z nich jest wypełnianych wolnymi ładunkami w tym samym czacie, dodaje Lemell.
      Elektrony reagują różnie na pole elektryczne, a reakcja ta zależy od tego, jak wiele energii przenoszą. Jeśli nie znamy dokładnie tej wartości, nie możemy precyzyjnie ich kontrolować i dochodzi do zaburzeń przepływu prądu. Szczególnie przy bardzo intensywnej pracy lasera.
      Okazuje się, że górna granica możliwości kontrolowania procesów optoelektronicznych wynosi około 1 petaherca, mówi Joachim Burgdörfer. To oczywiście nie oznacza, że będziemy kiedykolwiek w stanie wyprodukować układy komputerowe z zegarami pracującymi nieco poniżej petaherca. Realistyczne możliwości technologii są zwykle znacznie niższe niż granice fizyczne. Jednak mimo tego, że nie jesteśmy w stanie pokonać praw fizyki, badania nad limitami fizycznych możliwości pozwalają na ich analizowanie, lepsze zrozumienie i udoskonalanie technologii.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Microsoft zatrudnił byłego projektanta układów scalonych Apple'a, , który wcześniej pracował też w firmach Arm i Intel,  trafił do grupy kierowanej przez Raniego Borkara, zajmującej się rozwojem chmury Azure. Zatrudnienie Filippo wskazuje, że Microsoft chce przyspieszyć prace nad własnymi układami scalonymi dla serwerów tworzących oferowaną przez firmę chmurę. Koncern idzie zatem w ślady swoich największych rywali – Google'a i Amazona.
      Obecnie procesory do serwerów dla Azure są dostarczane przez Intela i AMD. Zatrudnienie Filippo już odbiło się na akcjach tych firm. Papiery Intela straciły 2% wartości, a AMD potaniały o 1,1%.
      Filippo rozpoczął pracę w Apple'u w 2019 roku. Wcześniej przez 10 lat był głównym projektantem układów w firmie ARM. A jeszcze wcześniej przez 5 lat pracował dla Intela. To niezwykle doświadczony inżynier. Właśnie jemu przypisuje się wzmocnienie pozycji układów ARM na rynku telefonów i innych urządzeń.
      Od niemal 2 lat wiadomo, że Microsoft pracuje nad własnymi procesorami dla serwerów i, być może, urządzeń Surface.
      Giganci IT coraz częściej starają się projektować własne układy scalone dla swoich urządzeń, a związane z pandemią problemy z podzespołami tylko przyspieszyły ten trend.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Poszukiwanie zjawisk fizycznych wykraczających poza Model Standardowy często wymaga dostępu do potężnych narzędzi, jak Wielki Zderzacz Hadronów, podziemnych wykrywaczy neutrin, ciemnej materii i egzotycznych cząstek. Urządzenia takie są niezwykle kosztowne w budowie i utrzymaniu, ich konstruowanie trwa przez wiele lat i jest ich niewiele, przez co ustawiają się do nich długie kolejki naukowców. Teraz dzięki naukowcom z Holandii może się to zmienić. Opracowali oni bowiem technikę więzienia i badania ciężkich molekuł w warunkach laboratoryjnych.
      Ciężkie molekuły są świetnym obiektem do badań nad elektrycznym momentem dipolowym elektronu. Jednak dotychczas stosowane metody nie pozwalały na ich uwięzienie w warunkach niewielkiego laboratorium.
      Standardowe techniki poszukiwania elektrycznego momentu dipolowego elektronu (eEDM) wykorzystują wysoce precyzyjną spektroskopię. Jednak by ją zastosować konieczne jest najpierw spowolnienie molekuł i schwytanie ich w pułapkę laserową lub elektryczną. Problem w tym, że do odkrycia zjawisk wykraczających poza Model Standardowy konieczne może okazać się przechwycenie molekuł zbyt ciężkich, by mogły uwięzić je lasery. Z kolei pułapki elektryczne pozwalają na przechwycenie ciężkich jonów, ale nie obojętnych elektrycznie molekuł.
      Naukowcy z Uniwersytetu w Groningen, Vrije Universiteit Amsterdam oraz instytutu Nikhef rozpoczęli swoją pracę od stworzenie molekuł fluorku strontu (SrF), które powstały w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w kriogenicznym gazie w temperaturze około 20 kelwinów. Dzięki niskiej temperaturze molekuły te mają początkową prędkość 190 m/s, podczas gdy w temperaturze pokojowej wynosi ona ok. 500 m/s. Następnie molekuły wprowadzane są do 4,5-metrowej długości spowalniacza Stark, gdzie zmienne pola elektryczne najpierw je spowalniają, a następnie zatrzymują. Molekuły SrF pozostają uwięzione przez 50 milisekund. W tym czasie można je analizować za pomocą specjalnego systemu indukowanego laserem. Pomiary takie pozwalają badać właściwości elektronów, w tym elektryczny moment dipolowy, dzięki czemu możliwe jest poszukiwanie oznak asymetrii.
      Model Standardowy przewiduje istnienie eEDM, jednak ma on niezwykle małą wartość. Dlatego też dotychczas właściwości tej nie zaobserwowano. Obserwacja i zbadanie eEDM mogłyby wskazać na istnienie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
      Molekuły SrF, którymi zajmowali się Holendrzy, mają masę około 3-krotnie większą niż inne molekuły badane dotychczas podobnymi metodami. Naszym kolejnym celem jest uwięzienie jeszcze cięższych molekuł, jak np. fluorku baru (BaF), który ma macę 1,5 raza większą od SrF. Taka molekuła byłaby jeszcze lepszym celem do pomiarów eEDM, mówi Steven Hoekstra, fizyk z Uniwersytetu w Groningen. Im bowiem cięższa molekuła, tym dokładniejszych pomiarów można dokonać.
      Jednak możliwość uwięzienia ciężkich molekuł przyda się nie tylko do badania elektrycznego momentu dipolowego elektronu. Można dzięki temu przeprowadzać też zderzenia ciężkich molekuł przy niskich energiach, symulując warunki w przestrzeni kosmicznej. To zaś przyda się podczas badań interakcji na poziomie kwantowym. Hoekstra mówi, że wraz ze swoimi kolegami będą też pracowali nad zwiększeniem czułości pomiarów poprzez zwiększenie intensywności strumienia molekuł. Spróbujemy też uwięzić bardziej złożone molekuły, jak BaOH czy BaOCH3. Dodatkowo wykorzystamy naszą technikę do badania asymetrii w molekułach chiralnych, zapowiada.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      VCSEL to najpopularniejszy typ laserów. Znajdziemy je w smartfonach, sieciach komputerowych czy urządzeniach medycznych. Emitują światło z kwantowych studni lub kropek umieszczonych pomiędzy lustrami. Studnie i kropki są niezwykle małe, ich wielkość mierzy się w ułamkach mikrometrów. To z jednej strony zaleta, pozwalająca na miniaturyzację i dużą prędkość pracy, jednak z drugiej strony rozmiar ogranicza moc lasera. Teraz, po dziesięcioleciach prac, udało się opracować rozwiązanie, które pozwoli zwiększyć moc VCSEL, znajdą więc one zastosowanie tam, gdzie stosowane dotychczas być nie mogły.
      Przez dekady naukowcy próbowali zwiększyć moc VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) poprzez wymuszenie na nich pracy grupowej. Chcieli połączyć wiele laserów w jeden, o zwielokrotnionej mocy. Niestety, minimalne niedokładności w procesach produkcyjnych powodowały, że lasery takie pracowały w niewielkich niezależnych od siebie grupach, których emisja nie była ze sobą zsynchronizowana. Niemożliwe było wiec uzyskanie spójnego promienia laserowego.
      Dopiero teraz naukowcy pracujący pod kierunkiem Sebastiana Klembta z Uniwersytetu w Würzburgu i Mordechaia Segeva z Izraelskiego Instytutu Technologii Technion, opracowali metodę na wymuszanie spójnej pracy 30 VCSEL. Udało im się to dzięki ułożeniu laserów tak, by geometria całości była zgodna z tym, czego uczeni dowiedzieli się z badań nad izolatorami topologicznymi.
      Izolatory topologiczne to niezwykłe materiały. Są jednorodne, a mimo to wewnątrz są izolatorami, podczas gdy ich powierzchnia jest przewodnikiem. Materiały takie odkryto dawno, ale historia ich zastosowania w laserach liczy sobie zaledwie 8 lat gdy Segev i naukowcy z Uniwersytetu w Rostocku zaprezentowali pierwszy fotoniczny izolator topologiczny. W laserze tym światło wędrowało wzdłuż krawędzi dwuwymiarowej macierzy falowodów i nie było zakłócane przez ich niedoskonałości. Kilka lat później Segev wraz z inną już grupą współpracowników pokazał, że możliwe jest zmuszenie wielu takich laserów do współdziałania. Jednak system miał poważne ograniczenia. Światło krążyło w płaszczyźnie układu, który je generował. To zaś oznaczało, że moc systemu była ograniczona przez wielkość urządzenia do emisji światła. Naukowcy porównują to do elektrowni, z której wychodzi tylko jedno gniazdko do podłączenia urządzenia.
      Nowa topologiczna macierz VSCEL składa się z dwóch typów macierzy w kształcie plastra miodu, na wierzchołkach których umieszczono nanoskalowe kolumienki. Jednym z typów macierzy jest macierz rozciągnięta, drugim – ściśnięta. Uczeni stworzyli specjalny interfejs pomiędzy nimi. Gdy ma on odpowiednie parametry, otrzymujemy topologiczny interfejs, w którym światło musi przepływać pomiędzy laserami. Taki ciągły topologicznie chroniony przepływ światła powoduje, że światło każdego z laserów musi dotrzeć do wszystkich innych laserów, dzięki czemu otrzymujemy spójną wiązkę, wyjaśnia Segev. Obecnie więc światło krąży w całej macierzy, ale jest też emitowane przez każdy z laserów, wchodzących w jej skład.
      Topologiczne założenia naszego lasera będą działały dla wszystkich długości fali i różnych materiałów. To, ile mikrolaserów możemy połączyć w macierz zależy wyłącznie od tego, jak mają być stosowane. Możemy stworzyć wielką macierz i powinna ona emitować spójne światło dla dużej liczby laserów. To wspaniałe, że topologia, która w przeszłości była wyłącznie dziedziną matematyki, staje się rewolucyjnym narzędziem pozwalającym na kontrolowanie i udoskonalanie laserów, cieszy się profesor Klembt.
      Nasza praca to przykład potęgi topologicznego transportu światła. Niewielkie sprzężenie na płaszczyźnie wystarczy, by wymusić na macierzy indywidualnych źródeł emisji działanie w roli pojedynczego źródła, czytamy na łamach Science.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...