Исследователи из Ливerpульского университета разработали концепцию ускорителя частиц шириной не больше человеческого волоса, который мог бы генерировать рентгеновские лучи такой же интенсивности, как те, что производятся объектами размером со стадион.

Схема: импульс CP-лазера (жёлтый) попадает в вакуумный канал микротрубки (серый) и возбуждает ПП, рассеиваясь на остром вертикальном краю. Вращательная мода m = ±1 (зелёно-жёлтый) может эффективно взаимодействовать с лазерным полем и ускорять захваченные электроны (сфера, энергия представлена сине-красным цветом) по спирали вдоль твёрдой поверхности, что приводит к излучению CSR (жёлто-красный конус). Источник: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/cnym-16hc

Исследователи из Ливerpульского университета разработали концепцию ускорителя частиц шириной не больше человеческого волоса, который мог бы генерировать рентгеновские лучи такой же интенсивности, как те, что производятся объектами размером со стадион, согласно исследованию, принятому к публикации в Physical Review Letters.

Как работает технология

Конструкция использует явление, называемое поверхностными плазмон-поляритонами, которые образуются, когда лазерный свет прилипает к поверхности материала. Импульс циркулярно поляризованного лазера — свет, который закручивается штопором при движении — направляется через полые углеродные нанотрубки, расположенные вертикально в виде «леса». Это закручивающееся поле захватывает и ускоряет электроны внутри трубок, заставляя их совершать синхронизированное спиральное движение, которое усиливает интенсивность света на два порядка величины.

«Циркулярно поляризованный лазер соответствует внутренней структуре нанотрубки — подобно ключу в замке, поэтому мы называем это квантовым механизмом замка и ключа», — написал в The Conversation профессор Карстен Вельш, физик-ускорительщик из Ливерпуля, соавтор исследования. Исследовательскую группу возглавлял Бифэн Лэй, научный сотрудник Школы физических наук Ливерпуля.

Трёхмерное моделирование показало, что углеродные нанотрубки способны выдерживать электрические поля в сотни раз более мощные, чем обычные ускорители. Для сравнения, существующие источники синхротронного излучения, такие как PETRA III в DESY или Advanced Light Source в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, занимают помещения размером с футбольные стадионы.

Путь к медицинским и научным применениям

В настоящее время ученым приходится подавать заявки на ограниченные временные слоты в крупных национальных синхротронных установках, часто ожидая месяцами всего несколько часов работы с пучком. Подход команды из Ливерпуля мог бы сделать сопоставимые возможности рентгеновского излучения доступными везде, где это необходимо.

В медицине эта технология могла бы обеспечить более четкие маммограммы и новые методы визуализации, которые выявляют мягкие ткани без контрастных веществ. Разработчики лекарств могли бы анализировать структуры белков в собственных лабораториях, потенциально ускоряя разработку терапии. Материаловеды и инженеры-полупроводники могли бы проводить неразрушающее высокоскоростное тестирование деликатных компонентов.

Исследование остается на стадии моделирования, но необходимые компоненты—мощные лазеры с круговой поляризацией и точно изготовленные нанотрубочные структуры—уже существуют как стандартные инструменты в передовых исследовательских лабораториях. Следующим шагом является экспериментальная проверка.

«Меня больше всего вдохновляет в этой технологии не только физика, но и то, что она представляет собой», — написал Вельш. — «Миниатюрный ускоритель, обеспечивающий сопоставимую производительность, мог бы демократизировать доступ к исследовательским инструментам мирового класса».

Примечание редакции блога 

Когда в статье говорится о «толщине с волос» и возможности размещения на столе, это действительно относится к микроскопическому размеру самого ускорителя на базе углеродных нанотрубок, в отличие от огромных зданий нынешних ускорителей. Суть в том, что по размеру этот ускоритель близок к микрочипу, а не только того, что он гораздо меньше

Устройство изображённое на картинке показано как относительно крупная цилиндрическая конструкция на столе. Это объясняется тем, что сам ускоритель, базирующийся на углеродных нанотрубках, представляет собой микроскопическую структуру толщиной порядка человеческого волоса или даже меньше — это сам активный элемент ускорения частиц. 

Однако для работы такой системы необходимы и другие компоненты: мощные лазеры с круговой поляризацией, системы позиционирования, подложки с "лесом" из нанотрубок, оптические элементы и прочее лабораторное оборудование. Все вместе они могут занимать значительное пространство на столе или в лабораторном блоке. 

То есть основная рабочая часть ускорителя — нанотрубки толщиной с волос — микроскопична, но для эксперимента собрана более крупная установка с цилиндрическим корпусом, который содержит не только нанотрубки, но и лазерный источник, оптику и системы управления. Этот цилиндр и визуализирован на фото, и он значительно больше самого наноструктурного сердечника ускорителя. 

В итоге:

- Ускоряющий элемент миниатюрен, толщиной порядка волоса;

- Вся экспериментальная установка, включая лазеры, оптику и систему удержания, занимает наглядно больше места и может иметь форму цилиндра на столе .

Это типичный пример, когда микроскопический физический эффект реализуется в рамках макроскопической лабораторной аппаратуры.

Исследование. 

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cnym-16hc