Acceleratorul de particule ultra-compact, de birou, ar putea transforma medicina și știința materialelor

Un accelerator de particule, care produce raze X intense, ar putea fi încorporat într-un dispozitiv care încape pe o masă, au descoperit colegii mei și cu mine într-un nou proiect de cercetare.

Razele X intense sunt produse în prezent printr-o instalație numită sursă de radiație sincrotronă. Acestea sunt folosite pentru a studia materiale, molecule pentru medicamente și țesuturi biologice. Însă, chiar și cele mai mici surse de radiații sincrotrone existente au aproximativ dimensiunea unui stadion de fotbal.

Cercetarea noastră, care a fost acceptată pentru publicare în revista Physical Review Letters, arată cum structuri minuscule numite nanotuburi de carbon și lasere ar putea genera raze X intense pe un microcip. Deși dispozitivul este încă în stadiul de concept, dezvoltarea are potențialul de a transforma medicina, știința materialelor și alte discipline.

Majoritatea oamenilor își imaginează acceleratoarele de particule ca pe niște mașini enorme, inele foarte mari de metal și magneți care se întind pe kilometri întregi sub pământ. Acceleratorul de particule Large Hadron Collider de la CERN (Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară) din Geneva, de exemplu, are 27 km lungime.

Noua cercetare arată că în curând ar putea fi posibilă construirea unor acceleratoare ultra-compacte cu o lățime de doar câțiva micrometri – mai mici decât lățimea unui fir de păr uman. Acestea ar putea genera raze X coerente, de înaltă energie, similare cu cele produse de instalațiile masive de sincrotron din prezent, dar folosind dispozitive care încap pe un microcip.

Lumină răsucită

Principiul se bazează pe o proprietate particulară a luminii, cunoscută sub numele de polaritoni plasmonici de suprafață. Acestea sunt unde care se formează atunci când lumina laser se agață de suprafața unui material.

În simulări, un impuls laser polarizat circular a fost trimis printr-un tub gol minuscul. Acest impuls laser polarizat este lumină care se răsucește pe măsură ce se mișcă, foarte asemănător unui tirbușon.

Câmpul turbionar captează și accelerează particulele de electroni din interiorul tubului, forțându-le într-o mișcare spiralată. Pe măsură ce se mișcă sincronizat, electronii emit radiații coerent, amplificând intensitatea luminii cu până la două ordine de mărime.

Echipa mea și cu mine am creat un sincrotron microscopic, unde se desfășoară aceleași principii fizice care susțin instalațiile de dimensiuni mari – dar pe o scenă nanoscopică.

Pentru a face acest concept să funcționeze, s-au folosit nanotuburi de carbon. Acestea sunt structuri cilindrice formate din atomi de carbon aranjați în modele hexagonale. Aceste nanotuburi pot rezista la câmpuri electrice foarte puternice, de sute de ori mai puternice decât cele din acceleratoarele convenționale. De asemenea, pot fi „crescute” vertical în ceea ce numim o „pădure” de tuburi goale strâns aliniate.

Această arhitectură unică oferă un mediu ideal pentru ca lumina laser în formă de tirbușon să se cupleze cu electronii. Laserul polarizat circular se potrivește structurii interne a nanotubului – la fel ca o cheie într-o broască, motiv pentru care ne referim la un mecanism cuantic de tip broască și cheie.

Credit: Carsten Welsch

Echipa de cercetare din care fac parte a fost condusă de Bifeng Lei. Simulările 3D au arătat că această interacțiune poate produce câmpuri electrice de câțiva teravolți pe metru. Acest lucru este mult peste ceea ce pot realiza tehnologiile actuale de accelerare.

Acest tip de performanță ar putea schimba cine are acces la surse de raze X de ultimă generație. În prezent, oamenii de știință trebuie să aplice pentru intervale de timp limitate la instalații naționale mari de sincrotron sau lasere cu electroni liberi, așteptând adesea luni de zile pentru câteva ore de fascicul.

Deschiderea accesului

Abordarea acceleratorului de masă ar putea face ca această capacitate să fie disponibilă în spitale, universități și laboratoare industriale. De fapt, oriunde este nevoie.

În medicină, acest lucru ar putea însemna mamografii mai clare și noi tehnici de imagistică care dezvăluie țesuturile moi în detalii fără precedent, fără agenți de contrast.

În dezvoltarea medicamentelor, cercetătorii ar putea analiza structurile proteinelor, accelerând proiectarea de noi terapii.

În ingineria materialelor, științei și semiconductorilor, ar putea permite testarea nedistructivă, de mare viteză, a componentelor delicate.

Studiul a fost prezentat la atelierul NanoAc din 2025 pe tema nanotehnologiei în fizica acceleratoarelor, care a avut loc la Liverpool.

Cercetarea se află în prezent în stadiul de simulare, dar componentele necesare există deja: laserele puternice polarizate circular și structurile de nanotuburi fabricate cu precizie sunt instrumente standard în laboratoarele de cercetare avansate.

Următorul pas este verificarea experimentală. Dacă va avea succes, aceasta ar marca începutul unei noi generații de surse de radiații ultra-compacte. Ceea ce mă entuziasmează cel mai mult la această tehnologie nu este doar fizica, ci și ceea ce reprezintă.

Acceleratoarele de mare amploare au condus la un progres științific enorm, dar rămân inaccesibile majorității instituțiilor. Un accelerator miniaturizat care oferă performanțe comparabile ar putea deschide accesul la instrumente de cercetare de talie mondială, aducând știința de frontieră în mâinile multor cercetători.

Viitorul accelerării particulelor ar putea include mașini foarte mari pentru a împinge și mai mult limitele cercetării, precum și acceleratoare mai mici, mai inteligente și mai accesibile.

Traducere după Tabletop particle accelerator could transform medicine and materials science