RW Space

Ускоритель частиц, производящий интенсивные рентгеновские лучи, можно втиснуть в устройство, которое помещается на столе, как мы с коллегами обнаружили в рамках нового исследовательского проекта.

Способ получения интенсивных рентгеновских лучей в настоящее время осуществляется с помощью установки, называемой источником синхротронного света. Они используются для изучения материалов, молекул лекарств и биологических тканей. Однако даже самые маленькие из существующих синхротронов имеют размер футбольного стадиона.

Наше исследование, принятое к публикации в журнале Physical Review Letters, показывает, как крошечные структуры, называемые углеродными нанотрубками, и лазерный свет могут генерировать яркие рентгеновские лучи на микрочипе. Хотя устройство все еще находится на стадии разработки, его разработка может изменить медицину, материаловедение и другие дисциплины.

По теме: Возможен огромный 56-мильный измельчитель частиц, говорится в отчете ЦЕРН

Большинство людей представляют ускорители частиц как огромные машины, очень большие металлические кольца и магниты, простирающиеся на километр под землей. Например, длина Большого адронного коллайдера ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований) в Женеве составляет 17 миль (27 км).

Новое исследование показывает, что вскоре станет возможным создавать сверхкомпактные ускорители шириной всего несколько микрометров – меньше ширины человеческого волоса. Они могут генерировать когерентные высокоэнергетические рентгеновские лучи, подобные тем, которые производят синхротронные установки стоимостью в миллиарды фунтов, но с использованием устройств, помещающихся на микрочипе.

Витой свет

Принцип основан на определенном свойстве света, известном как поверхностные плазмонные поляритоны. Это волны, которые образуются, когда лазерный свет падает на поверхность материала. В ходе моделирования лазерный импульс с круговой поляризацией пропускался через крошечную полую трубку. Этот поляризованный лазерный импульс представляет собой свет, который скручивается при движении, очень похоже на штопор.

Вихревое поле захватывает и ускоряет электронные частицы внутри трубки, заставляя их двигаться по спирали. Двигаясь синхронно, электроны излучают когерентное излучение, усиливая интенсивность света на два порядка.

Моя команда и я создали микроскопический синхротрон, в котором действуют те же физические принципы, которые управляют установками масштаба в милю, – но на наноскопической стадии.

Чтобы эта концепция работала, были использованы углеродные нанотрубки. Это цилиндрические структуры, состоящие из атомов углерода, расположенных шестиугольно. Эти нанотрубки могут выдерживать очень сильные электрические поля, в сотни раз более сильные, чем в обычных ускорителях. Их также можно «вырастить» вертикально в то, что мы называем «лесом» тесно расположенных полых трубок.

Эта уникальная архитектура обеспечивает идеальную среду для взаимодействия лазерного света с электронами. Лазер с круговой поляризацией соответствует внутренней структуре нанотрубки – очень похоже на ключ в замке, поэтому мы говорим о квантовом механизме «замок и ключ».

Исследовательскую группу, в которой я состою, возглавлял Бифэн Лэй, научный сотрудник школы физических наук. Трехмерное моделирование показало, что это взаимодействие может создавать электрические поля мощностью в несколько теравольт (один триллион вольт) на метр. Это намного превосходит возможности современных ускорительных технологий.

Подобная производительность может изменить тех, кто получит доступ к новейшим источникам рентгеновского излучения. В настоящее время ученым приходится подавать заявки на ограниченные временные интервалы в крупных национальных синхротронных установках или лазерах на свободных электронах, часто месяцами ожидая нескольких часов лучевого времени.

Открытие доступа

Подход к настольному ускорителю может сделать эту возможность доступной в больницах, университетах и ​​промышленных лабораториях. Фактически, везде, где это необходимо.

В медицине это может означать более четкие маммограммы и новые методы визуализации, которые позволяют выявить мягкие ткани с беспрецедентной детализацией без использования контрастных веществ.

При разработке лекарств исследователи смогут самостоятельно анализировать белковые структуры, что значительно ускоряет разработку новых методов лечения. А в материаловедении и полупроводниковой технике оно может обеспечить неразрушающее высокоскоростное тестирование деликатных компонентов.

Исследование было представлено на семинаре NanoAc 2025 года по теме нанотехнологий в физике ускорителей, который состоялся в Ливерпуле в начале этого месяца. В настоящее время исследования находятся на стадии моделирования. Но необходимые компоненты уже существуют: мощные лазеры с круговой поляризацией и точно изготовленные структуры из нанотрубок являются стандартными инструментами в передовых исследовательских лабораториях.

Следующим шагом является экспериментальная проверка. В случае успеха это ознаменует начало нового поколения сверхкомпактных источников излучения. Что меня больше всего волнует в этой технологии, так это не только физика, но и то, что она собой представляет.

Крупномасштабные ускорители привели к огромному научному прогрессу, но они остаются недоступными для большинства учреждений. Миниатюрный ускоритель, обеспечивающий сравнимую производительность, мог бы демократизировать доступ к исследовательским инструментам мирового класса, отдав передовую науку в руки гораздо большего числа исследователей.

Будущее ускорения частиц может включать в себя очень большие машины, которые еще больше расширят границы энергии, интенсивности и открытий, а также меньшие, более умные и более доступные ускорители.

Карстен П. Уэлш, профессор физики Ливерпульского университета

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.