Para Peneliti Membangun Akselerator Partikel Pada Chip Silikon


Para Peneliti Membangun Akselerator Partikel Pada Chip Silikon

Saat ini untuk pertama kalinya, para ilmuwan dari Stanford dan SLAC telah menciptakan chip silikon yang dapat mempercepat elektron meskipun sebagian kecil dari kecepatan instrumennya menggunakan laser inframerah untuk menghasilkan jarak kurang dari ukuran sehelai rambut, semacam dorongan energi yang membutuhkan banyak gelombang mikro.

Menulis di Science edisi 3 Januari, sebuah tim yang dipimpin oleh insinyur listrik Jelena Vuckovic menjelaskan bagaimana mereka membentuk saluran skala nano dari silikon, yang kemudian menyimpannya dalam ruang hampa lalu mengirim elektron melalui saluran tersebut pada saat pulsa cahaya inframerah ke arah silikon transparan seperti kaca untuk cahaya tampak ditransmisikan oleh dinding saluran untuk mempercepat elektron.

Akselerator-on-a-chip yang diperlihatkan dalam Science hanyalah sebuah prototipe, tetapi Vuckovic mengatakan desain dan teknik fabrikasi dapat ditingkatkan untuk memberikan sinar partikel yang cukup dipercepat untuk melakukan eksperimen yang efisien dilakukan dalam bidang kimia, ilmu material, dan penemuan biologis yang tidak memerlukan kekuatan akselerator besar-besaran.

"Akselerator terbesar seperti teleskop yang kuat. Hanya ada beberapa di dunia dan para ilmuwan harus datang ke tempat-tempat seperti SLAC untuk menggunakannya," kata Vuckovic. "Kami ingin miniaturisasi teknologi akselerator dengan cara yang membuatnya menjadi alat penelitian yang lebih mudah diakses." lanjut Vuckovic

Anggota tim menyamakan pendekatan mereka melalui pendekatan komputasi dari mainframe ke PC yang lebih kecil agar lebih flexibel. Teknologi Accelerator-on-a-chip juga bisa mengarah pada terapi radiasi kanker baru, kata fisikawan Robert Byer, rekan penulis makalah yang diterbitkan di Science tersebut. Sekali lagi, ini masalah ukuran. Hari ini, mesin sinar-X medis mengisi ruangan dan memberikan sinar radiasi yang sulit untuk fokus pada tumor, mengharuskan pasien untuk memakai perisai timbal untuk meminimalkan kerusakan jaringan tubuh.

"Dalam makalah ini kami mulai menunjukkan bagaimana kemungkinan untuk mengirimkan radiasi berkas elektron langsung ke tumor, menghiraukan jaringan yang sehat agar tidak terpengaruhi," kata Byer, yang memimpin Accelerator on a Chip International Program (ACHIP), upaya yang lebih luas di mana Penelitian saat ini adalah bagian dari tanggung jawabnya.

Inverse Design

Dalam makalah mereka, Vuckovic dan mahasiswa pascasarjana Neil Sapra, penulis pertama, menjelaskan bagaimana tim membangun sebuah chip yang menembakkan cahaya inframerah melalui silikon untuk mengenai elektron pada saat yang tepat, dan hanya pada sudut yang tepat untuk menggerakkan mereka ke depan lebih cepat dari kecepatan yang sebelumnya.

Untuk mencapai ini, mereka membalikkan proses desain. Dalam akselerator konvensional, seperti yang ada di SLAC, para insinyur umumnya merancang desain dasar, kemudian menjalankan simulasi secara fisik mengatur semburan gelombang mikro untuk menghasilkan akselerasi yang paling baik. Tetapi gelombang mikro berukuran 4 inci dari puncak ke lembah sedangkan sinar infra merah memiliki panjang gelombang sepersepuluh lebar rambut manusia. Perbedaan itu menjelaskan mengapa cahaya inframerah dapat mempercepat elektron dalam jarak sesingkat itu dibandingkan dengan gelombang mikro. Tetapi ini juga berarti bahwa fitur fisik chip harus 100.000 kali lebih kecil dari struktur tembaga dalam akselerator konvensional. Ini menuntut pendekatan baru untuk rekayasa berdasarkan fotonik terintegrasi silikon dan litografi.

Tim Vuckovic memecahkan masalah tersebut menggunakan algoritma desain terbalik yang telah dikembangkan dilabnya. Algoritma ini memungkinkan para peneliti untuk bekerja mundur (work backward) dengan menentukan berapa banyak energi cahaya yang mereka inginkan untuk dikirimkan oleh chip, dan menugaskan perangkat lunak dengan menyarankan bagaimana membangun struktur skala nano yang tepat yang diperlukan untuk membawa foton ke dalam kontak yang tepat dengan aliran elektron.

"Terkadang, desain terbalik dapat menghasilkan solusi yang mungkin tidak terpikirkan oleh insinyur lainnya," kata R. Joel England, seorang ilmuwan staf SLAC dan juga merupakan penulis makalah yang diterbitkan di Science.

Algoritma desain ini muncul dengan tata letak chip yang tampaknya sangat berbeda. Bayangkan dalam skala nano, dipisahkan oleh saluran (rongga) yang sangat kecil, terukir silikon. Elektron yang mengalir melalui saluran menjalankan gantlet kabel silikon, menembus dinding di lokasi strategis yang terdapat pada chip silikon tersebut. Setiap kali pulsa laser melakukan 100.000 kali per detik ledakan foton yang menghantam sekelompok elektron pada permukaan chip silikon yang divakumkan sehingga terjadilah percepatan elektron.

Para peneliti ingin mempercepat elektron hingga 94 persen dari kecepatan cahaya, atau 1 juta elektron volt (1MeV) untuk menciptakan aliran partikel yang cukup kuat untuk penelitian atau keperluan medis. Chip prototipe ini hanya menyediakan satu tahap akselerasi dan aliran elektron harus melewati sekitar 1.000 tahap ini secara siklik untuk mencapai 1MeV. Ini tidak berdampak buruk kata Vuckovic, karena prototipe akselerator-on-a-chip ini adalah sirkuit yang sepenuhnya terintegrasi. Itu berarti semua fungsi penting yang diperlukan untuk membuat akselerasi dibangun langsung ke dalam chip dan meningkatkan kemampuannya cukup mudah.

Para peneliti berencana untuk mengemas seribu tahap percepatan ke dalam sekitar satu inci ruang chip pada akhir 2020 untuk mencapai target 1MeV yang diinginkan. Meskipun demikian, perangkat seperti itu masih sangat jauh dibandingkan kemampuan akselerator penelitian SLAC yang dapat menghasilkan tingkat energi 30.000 kali lebih besar dari 1MeV. Tetapi Byer percaya bahwa, seperti halnya transistor pada akhirnya menggantikan tabung vakum dalam elektronik, perangkat berbasis cahaya suatu hari akan menantang kemampuan akselerator yang digerakkan oleh gelombang mikro.

Sementara itu, dalam mengantisipasi pengembangan akselerator 1MeV pada sebuah chip, insinyur listrik Olav Solgaard, rekan penulis telah mulai bekerja pada kemungkinan aplikasi melawan kanker. Saat ini, elektron berenergi tinggi tidak digunakan untuk terapi radiasi karena mereka akan membakar kulit. "Kita dapat memperoleh manfaat medis dari miniaturisasi teknologi akselerator di samping aplikasi penelitian," kata Solgaard.

Solgaard bekerja pada bagian tentang cara menyalurkan elektron berenergi tinggi dari akselerator berukuran chip melalui tabung vakum seperti kateter yang dapat dimasukkan di bawah kulit tepat di samping tumor menggunakan berkas partikel untuk memberikan terapi radiasi secara bedah.



Journal Reference:
Neil V. Sapra, Ki Youl Yang, Dries Vercruysse, Kenneth J. Leedle, Dylan S. Black, R. Joel England, Logan Su, Rahul Trivedi, Yu Miao, Olav Solgaard, Robert L. Byer, Jelena Vučkovicć. On-chip integrated laser-driven particle accelerator. Science, 2020; 367 (6473): 79 DOI: 10.1126/science.aay5734