Углеродные нанотрубки открывают путь к созданию ускорителей частиц тоньше волоса
Учёные предложили революционную конструкцию на основе углеродных нанотрубок, которая в будущем может позволить создавать компактные частицы ускорители для генерации мощного рентгеновского излучения. В настоящее время для получения подобных когерентных рентгеновских лучей требуются синхротроны — гигантские циклические ускорители, занимающие площадь целого стадиона. Новое исследование показывает, что те же физические принципы можно воспроизвести в микроскопических структурах тоньше человеческого волоса.
Суть разработки заключается в использовании поверхностных плазмон-поляритонов — волн, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью материала. Согласно проведённому компьютерному моделированию, циркулярно-поляризованный лазерный импульс, пропущенный через полую микроскопическую трубку, движется по спирали, подобно штопору. Это вращающееся поле захватывает и ускоряет электроны внутри трубки, заставляя их двигаться синхронизированно по спиральной траектории. Именно согласованное движение электронов делает их излучение когерентным, усиливая генерируемые рентгеновские лучи до двух порядков величины.
Ключевым элементом такой системы являются углеродные нанотрубки. Эти цилиндрические структуры из атомов углерода способны выдерживать электрические поля в сотни раз более мощные, чем те, что применяются в традиционных ускорителях. Когда нанотрубки выращиваются вертикально в виде упорядоченных массивов, так называемых «лесов», они формируют идеальные каналы для спирального лазерного излучения. Исследователи подчёркивают, что геометрия трубок идеально соответствует конфигурации циркулярно-поляризованного лазера, создавая эффект «замка и ключа».
Проведённые моделирования продемонстрировали, что такая конфигурация способна генерировать электрические поля мощностью в несколько теравольт на метр, что значительно превосходит пределы существующих ускорительных технологий. Учёные отмечают, что все необходимые компоненты для экспериментальной проверки — прецизионно изготовленные нанотрубки и мощные лазеры с круговой поляризацией — уже широко доступны в современных исследовательских лабораториях.
Создание столь компактного ускорителя на микрочипе способно кардинально расширить доступ к передовым аналитическим инструментам. В настоящее время учёные вынуждены конкурировать за ограниченное время для работы на крупных национальных синхротронных установках. Настольная же установка с сопоставимой мощностью излучения позволит больницам, университетам и промышленным лабораториям иметь собственный источник высококачественного рентгеновского излучения. В медицине это может привести к более чётким маммограммам и новым методам визуализации мягких тканей без контрастных веществ. В фармакологии это ускорит разработку лекарств, а в материаловедении позволит проводить неразрушающий контроль микроскопических компонентов. При этом подчёркивается, что подобные миниатюрные системы не заменят гигантские ускорители вроде Большого адронного коллайдера, а будут с ними сосуществовать, демократизируя доступ к мощным исследовательским инструментам.
Исследование было в журнале Physical Review Letters.