Мои коллеги и я в новом исследовательском проекте выяснили, что ускоритель частиц, который производит интенсивное рентгеновское излучение, можно встроить в устройство, помещающееся на столе.
В настоящее время интенсивное рентгеновское излучение получают с помощью установки, называемой источником синхротронного света. Такие установки используются для изучения материалов, молекул лекарств и биологических тканей. Однако даже самые маленькие из существующих синхротронов размером примерно с футбольное поле.
Наше исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показывает, как крошечные структуры, называемые углеродными нанотрубками, и лазерный свет могут генерировать яркое рентгеновское излучение на микрочипе. Хотя устройство всё ещё находится на стадии концепции, разработка может изменить медицину, материаловедение и другие дисциплины.
Большинство людей представляют ускорители частиц в виде огромных машин — больших колец из металла и магнитов, протянувшихся на километры под землёй. Например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований) в Женеве имеет длину 27 километров.
Новое исследование показывает, что в скором времени можно будет создавать ультракомпактные ускорители всего несколько микрометров в ширину — меньше ширины человеческого волоса. Они могут генерировать когерентное рентгеновское излучение высокой энергии, аналогичное тому, что производится на миллиарды фунтов на синхротронных установках, но с использованием устройств, помещающихся на микрочипе.
Принцип работы
Принцип основан на особом свойстве света, известном как поверхностные плазмон-поляритоны. Это волны, которые образуются, когда лазерный свет прилипает к поверхности материала. В симуляциях через крошечную полую трубку был отправлен поляризованный лазерный импульс. Этот поляризованный лазерный импульс — это свет, который закручивается при движении, очень похожий на штопор.
Вихревое поле захватывает и ускоряет частицы электронов внутри трубки, заставляя их двигаться по спирали. Когда они движутся синхронно, электроны когерентно излучают излучение, усиливая интенсивность света до двух порядков.
Моя команда и я создали микроскопический синхротрон, где те же физические принципы, которые управляют установками размером с милю, проявляются, но на наноскопической стадии.
Для реализации этой концепции были использованы углеродные нанотрубки. Это цилиндрические структуры, состоящие из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Эти нанотрубки могут выдерживать очень высокие электрические поля, в сотни раз более сильные, чем в обычных ускорителях. Их также можно «вырастить» вертикально в то, что мы называем «лесом» из близко расположенных полых трубок.
Эта уникальная архитектура обеспечивает идеальную среду для взаимодействия закручивающегося лазерного света с электронами. Поляризованный по кругу лазерный импульс соответствует внутренней структуре нанотрубки — подобно ключу в замке, поэтому мы говорим о квантовом механизме «замок-ключ».
Исследовательская группа, в которой я участвую, возглавлялась Бифэн Лэй, научным сотрудником школы физических наук. Трёхмерные симуляции показали, что это взаимодействие может создавать электрические поля в несколько теравольт (один триллион вольт) на метр. Это намного превышает то, что могут достичь современные технологии ускорителей.
Такие характеристики могут изменить доступ к передовым источникам рентгеновского излучения. В настоящее время учёные должны подавать заявки на ограниченное время работы на крупных национальных синхротронных установках или на лазерах на свободных электронах, часто ожидая месяцы ради нескольких часов работы с пучком.
Подход с настольным ускорителем может сделать эту возможность доступной в больницах, университетах и промышленных лабораториях. Там, где это необходимо.
В медицине это может означать более чёткие маммограммы и новые методы визуализации, которые показывают мягкие ткани с беспрецедентной детализацией без использования контрастных веществ. В разработке лекарств исследователи могут анализировать структуры белков внутри компании, что значительно ускоряет разработку новых методов лечения. А в материаловедении и полупроводниковой инженерии это может обеспечить неразрушающий высокоскоростной контроль деликатных компонентов.
Исследование было представлено на семинаре NanoAc 2025 по нанотехнологиям в физике ускорителей, который проходил в Ливерпуле в начале этого месяца. Исследование пока остаётся на стадии симуляции. Но необходимые компоненты уже существуют: мощные циркулярно-поляризованные лазеры и точно изготовленные структуры из нанотрубок являются стандартными инструментами в передовых исследовательских лабораториях.
Следующий шаг — экспериментальная проверка. В случае успеха это ознаменует начало нового поколения ультракомпактных источников излучения. Что меня больше всего воодушевляет в этой технологии, так это не только физика, но и то, что она представляет.
Крупномасштабные ускорители способствовали огромному научному прогрессу, но они остаются недоступными для большинства учреждений. Миниатюрный ускоритель, обеспечивающий сравнимые характеристики, может демократизировать доступ к исследовательским инструментам мирового класса, сделав передовую науку доступной для многих исследователей.
Будущее ускорения частиц может включать в себя очень большие машины для дальнейшего повышения энергии, интенсивности и границ открытий, а также меньшие, более умные и доступные ускорители.
Предоставлено: The Conversation.