محققان آزمایشگاه ملی آرگون(ANL) پوسته‌های کوانتومی در مقیاس نانو ساخته‌اند که به عنوان سوسو زن‌های پیشرفته الکترونی و پرتو ایکس عمل می‌کنند.

این نوآوری می‌تواند به پیشرفت‌های هیجان انگیز در فیزیک ذرات، تصویربرداری پزشکی و فناوری‌های دفاعی مبتنی بر پرتو ایکس منجر شود.

سوسوزن(Scintillator) ماده‌ای است که وقتی توسط پرتوهای یونیزه‌کننده برانگیخته می‌شود، از خود سوسو زنی نشان می‌دهد. وقتی مواد شب‌تاب با ذره‌ای وارد شده برخورد می‌کنند، انرژی آن را جذب کرده و سوسو می‌زنند، یعنی انرژی جذب شده را دوباره به شکل نور ساطع می‌کنند. گاهی اوقات حالت برانگیخته ناپایدار است، بنابراین بازگشت از حالت برانگیخته به حالت‌های پایین‌تر به تأخیر می‌افتد که بسته به نوع ماده از چند نانوثانیه تا چند ساعت متغیر است.

در واقع، سوسو زن ماده‌ای است که با برخورد ذرات پرانرژی مانند پرتو ایکس یا اشعه گاما، جرقه‌های نوری از خود ساطع می‌کند. سپس این نور شناسایی می‌شود و برای اندازه‌گیری یا تصویربرداری از انرژی و حضور این ذرات استفاده می‌شود.

محققان می‌گویند، یک کاربرد روزمره برای فناوری سوسو زن را می‌توان در مطب دندانپزشکی یافت، جایی که پرتوهای ایکس در دهان بیمار تابیده می‌شود و به نواری از یک ماده واکنشی که تصویری از دندان‌ها را برای دندانپزشک نشان می‌دهد تا نقص‌های احتمالی را بررسی کند، بازتابیده می‌شود.

سوسو زن‌ها در تصویربرداری پزشکی و کاربردهای مختلف دیگر که از ذرات پرانرژی استفاده می‌کنند، اهمیت زیادی دارند. با این حال، یک محدودیت بزرگ برای سوسو زن‌های معمولی این است که دانشمندان اغلب باید بین دو گزینه تصویربرداری سریع یا بهترین عملکرد، یکی را انتخاب کنند.

به گفته محققان، سوسو زن‌های پوسته کوانتومی جدید می‌توانند بر این مشکل غلبه کنند.

پوسته‌های کوانتومی سریع‌تر و بهتر هستند

وقتی دانشمندان از یک سوسو زن معمولی استفاده می‌کنند که نتایج سریعی را ارائه می‌دهد، اغلب باید دقت یا وضوح را فدا کنند. به شکل مشابه، هنگامی که آنها یک سوسو زن را انتخاب می‌کنند که بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد، روند آن آهسته و زمان‌بر است.

فناوری‌های سنتی سوسو زن با چالش‌هایی در دستیابی به عملکرد بهینه و عملکرد با سرعت بالا به طور همزمان مواجه هستند.

محققان می‌گویند ما ساختارهای ناهمسان پوسته کوانتومی کلوئیدی را به عنوان سوسو زن پرتو ایکس و الکترونی معرفی کرده‌ایم که کارایی، سرعت و دوام را با هم ترکیب می‌کنند.

چیزی که سوسو زن‌های پوسته کوانتومی را سریع و دقیق می‌کند این است که وقتی پرتو ایکس به آنها برخورد می‌کند، تنها برای چند نانوثانیه نور(درخشش) ساطع می‌کنند. در مقابل، سوسو زن‌های معمولی صدها نانوثانیه می‌درخشند.

زمان درخشش کوتاه‌تر، تصویربرداری سریع‌تر و دقیق‌تر را امکان‌پذیر می‌کند.

بنجامین دیرول(Benjamin Diroll) یکی از محققان این مطالعه می‌گوید: سوزن پوسته کوانتومی به طول عمر نانوثانیه‌ای تک رقمی دست می‌یابد و در عین حال سطح کارایی را برابر با سوسو زن‌های سنتی حفظ می‌کند. این به ویژه هنگام ثبت رویدادهای سریع یا در موقعیت‌هایی که زمان‌بندی حیاتی است، مفید است.

اگر درخشش بیش از حد طول بکشد، می‌تواند تصویر را تار کند یا روند تشخیص را کندتر کند و مشاهده تغییرات سریع را دشوارتر کند.

علاوه بر این، سوسو زن‌های سنتی چند میلی‌متر ضخامت دارند و باعث می‌شوند نور از مناطق مختلف آزاد شود و در نتیجه تصاویر تار شوند. در مقابل، سوسو زن‌های پوسته کوانتومی به صورت لایه‌های نازک بر روی بستر ساخته می‌شوند.

بوراک گوزلتورک(Burak Guzelturk) محقق ارشد و فیزیکدان ANL گفت: ما متوجه شدیم که می‌توانیم سوسو زن‌های پوسته کوانتومی را بسیار نازک‌تر، در حد فقط چند میکرومتر بسازیم و در عین حال به جذب پرتو ایکس قوی و تصویربرداری با وضوح فضایی بالا دست یابیم.

سوسو زن‌هایی با پتانسیل بی‌پایان

کاربرد پوسته‌های کوانتومی به پرتو ایکس دندانپزشکی و سایر انواع تشخیص‌های پزشکی محدود نمی‌شود.

به گفته محققان می‌توان از آن در کنار منابع قدرتمند پرتو ایکس مانند منبع فوتون پیشرفته(APS) برای تشخیص فوق سریع ذرات پر انرژی و تولید تصاویر با کیفیت بالا استفاده کرد.

منبع فوتون پیشرفته(APS) یک مرکز فناوری پیشرفته در آزمایشگاه ملی آرگون(ANL) است که پرتوهای شدید پرتو ایکس را برای بررسی ساختار و خواص طیف وسیعی از مواد از جمله نمونه‌های بیولوژیکی، ماشین‌ها، فلزات و مواد دیگر تولید می‌کند.

به عنوان مثال، اگر می‌خواهید بدانید که یک موتور در حالی که با سوخت داخلی خود کار می‌کند، چگونه کار می‌کند، می‌توانید ابتدا از APS برای عکسبرداری با پرتو ایکس که از موتور عبور می‌کند، استفاده کنید.

سپس سوسو زن‌های پوسته کوانتومی پرتو ایکس را تشخیص می‌دهند و به ایجاد تصاویر با وضوح بالا کمک می‌کنند و به شما امکان می‌دهند ساختار داخلی موتور و نحوه عملکرد آن را در لحظه مشاهده کنید.

محققان خاطرنشان می‌کنند که با استفاده از خواص نوری و الکترونیکی منحصر به‌ فرد سوسو زن‌های پوسته کوانتومی می‌توانند مرزهای جدیدی را در زمینه‌های مختلف از فیزیک ذرات تا تشخیص پزشکی باز کنند.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.