Меньше толщины волоса человека: новый тип ускорителя частиц может полностью изменить науку

Ученые обнаружили, что ускоритель частиц, создающий интенсивное рентгеновское излучение, можно втиснуть в устройство, которое помещается на столе. Сейчас интенсивное рентгеновское излучение создается с помощью устройства, известного как источник синхротронного излучения. Такие устройства используются для изучения материалов, молекул лекарственных препаратов и биологических тканей. Но даже самые маленькие синхротроны имеют размер примерно с футбольный стадион. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показывает, как крошечные структуры, называемые углеродными нанотрубками, и лазерный свет могут создавать интенсивное рентгеновское излучение. Хотя устройство пока находится на стадии концепции, его разработка может изменить медицину, материаловедение и другие области науки, пишет ScienceAlert.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Большинство людей представляют ускорители частиц как огромные кольца из металла и магнитов, которые находятся под землей. Например, Большой адронный коллайдер в Швейцарии (самый большой в мире ускоритель частиц) представляет собой кольцо длиной 27 километров.

• Новое исследование показывает, что вскоре может появиться возможность создания компактных ускорителей частиц шириной всего несколько микрометров, а это меньше толщины волоса человека. Они могли бы создавать высокоэнергетическое рентгеновское излучение, подобное тому, которое производят синхротронные установки весом в миллиарды килограммов, но новое устройство можно разметить на столе.

Принцип работы крошечного ускорителя частиц основан на особом свойстве света, известном как поверхностные плазмонные поляритоны. Это волны, которые образуются, когда лазерный свет прилипает к поверхности материала. В моделировании поляризованный лазерный импульс посылался через крошечную полую трубку. Этот импульс представляет собой свет, который закручивается при движении, подобно штопору.

Вихревое поле захватывает и ускоряет электроны внутри трубки, заставляя их двигаться по спирали. Синхронно двигаясь, электроны испускают излучение, усиливая интенсивность света. Ученые создали микроскопический синхротрон, в котором действуют те же физические принципы, что и в огромных устройствах.

Для этого ученые использовали углеродные нанотрубки. Это цилиндрические структуры из атомов углерода, расположенных в шестиугольных узорах. Эти нанотрубки способны выдерживать очень сильные электрические поля, в сотни раз сильнее, чем в обычных ускорителях частиц. Уникальная архитектура нанотрубок обеспечивает идеальные условия для взаимодействия спирально вращающегося лазерного излучения с электронами.

• Моделирование показало, что это взаимодействие может создавать электрические поля напряженностью в несколько триллионов вольт на метр. Это значительно превосходит возможности современных ускорителей частиц.

Подобные ускорители частиц могут изменить доступ к передовым источникам рентгеновского излучения. Настольный ускоритель частиц можно будет использовать в везде, где это необходимо.

• В медицине можно будет получить более четкие маммограммы и новые методы визуализации, позволяющие получать изображения мягких тканей с беспрецедентной детализацией.
• В области разработки лекарственных препаратов ученые смогут анализировать структуры белков непосредственно в лаборатории, что значительно ускорит разработку новых методов лечения.
• А в материаловедении и полупроводниковой инженерии это позволит проводить неразрушающие высокоскоростные испытания чувствительных компонентов.

В настоящее время разработка крошечного ускорителя частиц находится на стадии моделирования. Но необходимые компоненты уже существуют. Далее ученые планируют создать прототип и провести его испытания. В случае успеха это ознаменует начало нового поколения компактных источников излучения.

Как уже писал Фокус, физики сделали неожиданное открытие о гравитации, которое многое меняет в понимании сил природы.