Ilmuwan NTU Berhasil Membuktikan Teori Kuantum untuk Pencitraan Sinar-X yang Akurat

SINGAPURA - Tim ilmuwan dari Nanyang Technological University (NTU) menjadi yang pertama di dunia berhasil mendemonstrasikan teori fisika kuantum berusia 83 tahun, dalam sebuah terobosan yang akan membuka jalan bagi pencitraan sinar-X yang lebih akurat.

Seperti dikutip dari The Straits Times , Minggu (12/2), tim yang dipimpin oleh Wong Liang Jie dari School of Electrical and Electronic Engineering, berhasil menunjukkan dalam percobaan bahwa sinar-X dipancarkan pada tingkat energi yang lebih rendah, seperti yang diprediksi oleh teori rekoil kuantum, ketika partikel bermuatan seperti elektron melewatinya melalui bahan untuk menghasilkan radiasi.

Memanfaatkan rekoil kuantum, yang telah dihindari para ilmuwan selama beberapa dekade, akan memungkinkan mesin sinar-X yang lebih tepat untuk dikembangkan untuk mencitrakan sampel jaringan manusia dan mendeteksi kekurangan pada cip semikonduktor.

Radiasi seperti sinar-X dapat dihasilkan ketika partikel bermuatan listrik seperti elektron dipercepat untuk meningkatkan energinya, dan melewati suatu bahan, mengganggu atomnya. Saat atom kembali ke keadaan semula, radiasi dipancarkan.

Fisikawan Rusia, Vitaly Ginzburg, pada tahun 1940 pernah berhipotesis bahwa energi radiasi akan lebih rendah daripada yang diperkirakan oleh fisika klasik.

Ini akan terjadi sebagai akibat dari elektron yang melambat dan dibelokkan saat mereka berinteraksi dengan atom-atom dari materi yang mereka lewati. Fenomena ini dikenal sebagai "rekoil kuantum".

Fisika klasik mengasumsikan bahwa perubahan energi dan jalur elektron saat berinteraksi dengan atom dapat diabaikan, dan dengan demikian memiliki dampak yang tidak signifikan terhadap energi radiasi yang dihasilkan.

Membuktikan rekoil kuantum telah membuat para ilmuwan frustrasi selama beberapa dekade. Itu membutuhkan vahan khusus, seperti yang memiliki pola berulang dalam struktur atomnya, tetapi ketepatan yang diperlukan untuk membuatnya dibatasi oleh teknologi yang tersedia.

Tim NTU, yang telah meneliti produksi sinar-X dengan memaparkan senyawa anorganik seukuran chip komputer ke elektron yang bergerak, mengubah eksperimen mereka menjadi rekoil kuantum.

Dengan mikroskop elektron pemindaian, mereka membombardir sampel terpisah dari grafit dan boron nitrida heksagonal (h-BN) dengan elektron.

Energi sinar-X yang dipancarkan diukur dan ditemukan cocok dengan nilai yang diprediksi oleh teori rekoil kuantum.

"Itu adalah kecelakaan yang membahagiakan karena kami sudah bekerja dengan sinar-X untuk mengembangkan cara yang lebih ringkas untuk menyetel dan menghasilkan sinar-X dengan energi berbeda untuk aplikasi medis, industri, dan keamanan," kata Wong kepada The Straits Times.

Ini berarti tim menyadari sifat unik dari bahan seperti grafit dan h-BN. Grafit adalah bentuk karbon yang digunakan dalam pensil, sedangkan h-BN sering digunakan untuk membuat pelumas dalam cat.

Kedua senyawa memiliki lapisan atom yang padat dalam pola berulang, di mana setiap lapisan setebal satu atom.

"Kami menyatukan dua dan dua dan menyadari bahwa kami dapat menggunakan bahan-bahan ini dalam eksperimen untuk menunjukkan rekoil kuantum," terangnya.

Tim menemukan bahwa rekoil kuantum dan energi radiasi yang dihasilkan dapat dimodifikasi dengan mengutak-atik energi elektron, komposisi atom, dan sudut kemiringan material.

Berdasarkan pekerjaan mereka sebelumnya, para peneliti mengembangkan cara untuk memungkinkan mesin sinar-X yang sama menghasilkan sinar-X dengan tingkat energi tertentu untuk mengidentifikasi jaringan manusia dengan lebih akurat.

Tim ini bekerja sama dengan perusahaan manufaktur peralatan biomedis Singapura CTmetrix untuk mengembangkan mesin sinar-X biomedis merdu yang lebih ringkas dan presisi. Mereka bertujuan untuk menyiapkan prototipe pada akhir 2023.

"Kami berinvestasi dalam sistem demonstrasi praktis, berdasarkan fenomena rekoil kuantum, untuk memecahkan masalah dalam pencitraan biomedis. Saat produk kami siap, ini akan mendukung industri biosains global dalam memahami penyakit dan dampak perawatan medis," kata Kepala Teknologi CTmetrix, Edward Morton.

Perusahaan Singapura, Component Technology, juga ingin memanfaatkan teknologi tim NTU untuk mengembangkan mesin inspeksi sinar-X yang dapat disetel untuk memeriksa cacat pada chip semikonduktor seperti rongga, atau kantong udara yang dapat menyebabkan kegagalan chip.