آشکارسازی یک تک پروتون

در فناوری‎های نوین از یک آشکارساز صفحه الماس برای آشکارسازی یک تک پروتون استفاده می‎شود. این آشکارسازها از حساسیت بالایی برخوردارند و می‎توانند حضور یک تک پروتون را نیز ثبت کنند.
تجهیزاتی که در شکل نشان داده شده است، مربوط به یک دستگاه تصویربرداری مغناطیسی هستند که برای نمایش دادن بافتهای زنده داخلی از میدان‎های مغناطیسی استفاده می‎کند. امروزه دانشمندان با الهام گرفتن از طرز کار این دستگاه‎ها، راهی را برای آشکارسازی ساختارهای بنیادین اتمها پیدا کرده‎اند.
پروتون به اندازه باورنکردنیی کوچک است. اما اندازه کوچک این ذره (حتی کوچکتر از اتم) باعث شده است که برای محققانی که در پی کشف واقعیتهای دنیای نانو هستند یک ذره ایده‎آل باشد. تنها کاری که دانشمندان می‎کنند این است که یک آشکارساز تصویربرداری مغناطیسی صفحه الماسی می‎سازند. این دستگاه می‎توانند یک تک پروتون را آشکارسازی کند. حتی اگر این آشکارساز نتواند تصویری از پروتون ارائه دهد توانایی آن را دارد که حضور پروتون را گزارش کند.
ممکن است روزی چنین دستگاهی بتواند تصویر بسیار بزرگتری از عناصر بیولوژیکی، مانند پروتئین‎ها و ویروس‎ها ارائه دهد، ولی اکنون تصویر داده شده بسیار کوچک است.
دانیال راگر (Rugar)، که یک فیزیکدان مرکز تحقیقاتی IBM کالیفرنیا است و البته خودش شخصاً روی این دستگاه تحقیقاتی انجام نداده است، در اخبار علمی اینطور اظهار می‎دارد که این دستگاه واقعاً یک شاهکار است.
این اسکنر جدید، در واقع یک نسخه از دستگاه غول‎پیکر MRI (که در آزمایشگاه‎ها و بیمارستان‎ها استفاده می‎شود)، در ابعاد میکرومتر است. زیرا طرز کار آن بسیار شبیه این دستگاه تصویربرداری است.
در دستگاه MRI بیمارستانی، آن قسمت از بدن که لازم است اسکن شود تحت میدان‎های مغناطیسی قرار می‎گیرد. این کار باعث می‎شود که میدان مغناطیسی پروتون‎های منفرد، که در مولکول‎های آن قسمت از بدن که تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و باید اسکن شود، قرار دارند، هم‎ردیف شوند. پس از اعمال میدان مغناطیسی، میدان این پروتون‎ها کاملاً هم‎جهت است. سپس دستگاه MRI، یک موج رادیویی را به این قسمت بدن اعمال می‎کند. این پروتون‎ها تابش رادیویی را جذب کرده و آن را بازتاب می‎کنند، منتها فرکانس موجی که ارسال می‎کند با فرکانس موج رادیویی تابیده شده متفاوت است. (به تعداد موج در واحد زمان فرکانس گویند). وقتی امواج رادیویی قطع می‎شوند، پروتون‎ها به حالت عادی خود بازمی‎گردند. اسکنر از این انتقال فرکانسی برای ثبت جزئیات آن قسمت از بافت بدن که تحت اسکن بوده است استفاده می‎کند.
پروتون‎ها در تمام هسته اتم‎ها یافت می‎شوند. ولی در مورد هیدروژن این مورد خیلی خاص است. زیرا هسته هر عنصر هیدروژن فقط شامل یک پروتون است. اتمهای هیدروژن را می‎توان در مولکولهای آب پیدا کرد. بدن انسان نیز حاوی آب بسیار زیادی است و درنتیجه چندین تریلیون اتم هیدروژن در بدن انسان وجود دارد. همین مسأله باعث می‎شود که MRI ابزار قدرتمندی برای کاوش درون اتمها، که سلول‎ها و بافت بدن آنها را دربر گرفته‎اند، محسوب شود.
بیش از 20 سال است که دانشمندان سعی دارند از روش مشابهی برای اسکن کردن اشیاء بسیار کوچکتری استفاده کنند.
کریستین دژن (Degen)، که یک فیزیکدان حالت جامد در مرکز ETH زوریخ سوئیس است، در اخبار علمی چنین اظهار کرد که: "ما سعی داریم از روشی شبیه به MRI، برای مطالعه ویروس‎ها، سلول‎ها و تک مولکول استفاده کنیم". دژن در این زمینه کارشناس است. او در سال 2009، به همراه گروهی از دانشمندان در زمینه تصویربرداری از یک ویروس با کمک یک حسگر مغناطیسی کار کرده است. این ویروس حاوی حدود 10 هزار اتم هیدروژن بود.
این گروه برای ساخت حسگری که بتواند یک تک پروتون را تشخیص دهد، از الماس استفاده کردند. این ماده کریستالی از آرایه‎های صلب و محکمی از اتمهای کربن تشکیل شده است. دانشمندان دو اتم کربن را از سطح این کریستال جدا کرده و آن را با اتم نیتروژن جایگزین کردند. در این حالت وقتی یک نور سبز را به این کریستال بتابانیم، اتم نیتروژن نور قرمز را انعکاس می‎دهد.
تیم دیژن، دقیقاً روی سطح کریستال الماس لایه نازکی از ماده‎ای که حاوی هیدروژن بود قرار دادند. وقتی میدان مغناطیسی به آن اعمال شد مشاهده کردند که درخشش نور قرمز منعکس شده با تغییر میدان مغناطیسی تغییر می‎کند. این مسأله حضور یک تک پروتون را نشان می‎دهد. این گروه کشف خود را در 16 اکتبر 2014 در مجله Science گزارش کردند.
راگرز می‎گوید: نور قرمز مانند یک چراغ قوه عمل می‎کند، و مانند حسگری است که تغییر میدان مغناطیسی و همین طور وجود یک پروتون را اعلام می‎کند. شدت نور قرمز نشان‎دهنده شدت میدان مغناطیسی است. او همچنین به این نکته اشاره می‎کند که دانشمندان هنوز هم درحال کشف چیزهایی هستند که می‎توان با این وسیله به آنها پی برد.
تکنولوژی‎هایی که پیش از این وجود داشت قادر به اسکن مولکول‎ها و اجسامی بودند که از اتمهای بسیار زیادی تشکیل شده‎اند، که البته خود این اتمها نیز از ذرات ریزتری بوجود می‎آیند. اما این حسگرهای مغناطیسی جدید این امکان را فراهم می‎سازند که ساختارهای درون اتمی را بطور جداگانه و تک تک مورد مطالعه قرار داد. و همچنین به دانشمندان نشان می‎دهند که پروتئین‎ها، ویروس‎ها، و اجسام ریز دیگر چگونه رفتار می‎کنند.