Миниатюрный чип может открыть путь к гамма-лазерам, лечению рака и изучению мультивселенной

Чип размером с палец может вскоре заменить гигантские ускорители частиц, открывая возможности для проверки теорий мультивселенной и создания гамма-лазеров для революционных методов лечения. Фото: Shutterstock

Инженер из Университета Колорадо в Денвере находится на пороге создания инструмента, который поможет ученым превратить научную фантастику в реальность.

Представьте безопасный гамма-лазер, способный уничтожать раковые клетки, не повреждая здоровые ткани. Или инструмент, который может подтвердить теорию мультивселенной Стивена Хокинга, раскрывая структуру Вселенной.

Доцент кафедры электротехники Аакаш Сахаи (Aakash Sahai), PhD, разработал квантовый прорыв, способный приблизить эти фантастические идеи. Его работа вызвала волну энтузиазма в научном сообществе благодаря потенциалу революционизировать наше понимание физики, химии и медицины. Журнал «Advanced Quantum Technologies», один из самых влиятельных в области квантовых наук, материалов и технологий, отметил исследование Сахаи, разместив его на обложке июньского номера.

«Это очень вдохновляет, потому что данная технология откроет новые области исследований и окажет прямое влияние на мир», — сказал Сахаи. «В прошлом у нас уже были технологические прорывы, такие как открытие субъатомной структуры, приведшее к созданию лазеров, компьютерных чипов и светодиодов. Эта инновация, основанная на материаловедении, находится в том же русле».

Как это работает

Сахаи нашел способ создания экстремальных электромагнитных полей, ранее недостижимых в лабораторных условиях. Эти поля возникают, когда электроны в материалах колеблются с невероятно высокой скоростью, и они лежат в основе всего — от компьютерных чипов до гигантских ускорителей частиц, ищущих следы темной материи. До сих пор для создания полей достаточной мощности требовались огромные и дорогие установки. Например, ученые, исследующие темную материю, используют Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе (Швейцария), длина которого составляет 27 км. Эксперименты такого масштаба требуют колоссальных ресурсов, чрезвычайно дороги и могут быть нестабильны.

Сахаи разработал кремниевый чип, способный выдерживать высокоэнергетические пучки частиц, управлять потоком энергии и давать ученым доступ к электромагнитным полям, создаваемым колебаниями квантового электронного газа — и все это в устройстве размером с палец. Быстрое движение электронов генерирует поля, а материал эффективно рассеивает тепло, сохраняя стабильность структуры. Это позволяет ученым наблюдать процессы на новом уровне и открывает путь к миниатюризации ускорителей.

«Управление таким мощным энергетическим потоком при сохранении структуры материала — это настоящий прорыв», — сказал Калян Тирумаласетти (Kalyan Tirumalasetty), аспирант лаборатории Сахаи. «Эта технология способна изменить мир. Речь идет о понимании природы и использовании этих знаний на благо человечества».

Технология была разработана в CU Denver и протестирована в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стэнфорд), финансируемой Министерством энергетики США.

Применение технологии

Университет уже подал заявки на патенты в США и других странах. Хотя практическое применение может занять годы, потенциал технологии в изучении Вселенной и улучшении качества жизни мотивирует Сахаи и Тирумаласетти продолжать работу.

«Гамма-лазеры могут стать реальностью», — говорит Сахаи. «Мы сможем визуализировать ткани не только на уровне ядер клеток, но и на уровне атомных ядер. Это ускорит понимание фундаментальных сил и приведет к новым методам лечения. В перспективе гамма-лазеры смогут уничтожать раковые клетки на наноуровне».

Технология также позволит проверить теории о мультивселенной и структуре пространства-времени. «Изучение природы на фундаментальном уровне — это важно», — отмечает Тирумаласетти. «Но инженеры дают ученым инструменты не только для понимания, но и для преобразования мира. И это… захватывает».

Следующим шагом станет дальнейшая доработка технологии в SLAC. В отличие от кино, прорывные технологии требуют десятилетий работы. Первые исследования Сахаи в этой области начались еще в 2018 году. «Это займет время, но в течение моей жизни это вполне реально», — заключает ученый.

Об исследователях

Аакаш Сахаи — доктор физики плазмы (Университет Дьюка), магистр электротехники (Стэнфорд) и физики (Университет Индианы). До прихода в CU Denver в 2018 году он работал в Имперском колледже Лондона и частном секторе. Автор более десятка научных публикаций.

Калян Тирумаласетти — аспирант CU Denver, ранее получил степень бакалавра в области электроники и связи в Индии. Участвовал в разработке технологии в SLAC.

Источник: ScienceDaily, материалы предоставлены Университетом Колорадо в Денвере.