Нанотрубки как ключ к созданию компактных ускорителей частиц для мощного рентгеновского излучения

Исследователи представили инновационную концепцию, основанную на углеродных нанотрубках, которая открывает путь к созданию миниатюрных ускорителей частиц. Эти устройства, в перспективе, смогут генерировать мощное рентгеновское излучение, сопоставимое с тем, что производят гигантские синхротроны, занимающие площади целых зданий. Новая технология предлагает перенести принципы ускорения частиц в микроскопический масштаб, используя структуры тоньше человеческого волоса.

Принцип работы: лазер, плазмоны и спиральная траектория

В основе разработки лежит использование поверхностных плазмон-поляритонов — особых электромагнитных волн, возбуждаемых лазерным светом на поверхности материала. Компьютерное моделирование показало, что если пропустить циркулярно-поляризованный лазерный импульс через микроскопическую полую трубку, он начинает двигаться по спирали, подобно штопору. Это вращающееся электромагнитное поле эффективно захватывает электроны внутри канала и заставляет их двигаться по синхронизированной спиральной траектории. Именно эта согласованность (когерентность) движения электронов приводит к резкому усилению генерируемого ими рентгеновского излучения — его мощность может возрасти до ста раз.

Углеродные нанотрубки: идеальный материал для микроускорителей

Ключевую роль в реализации этой концепции играют углеродные нанотрубки. Эти уникальные цилиндрические структуры обладают исключительной механической прочностью и способны выдерживать экстремально мощные электрические поля, в сотни раз превышающие пределы для традиционных металлических ускорительных структур.

Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.

Когда нанотрубки выращивают вертикально, формируя упорядоченные массивы («леса»), они создают идеальные прямые каналы для лазерного излучения. Исследователи отмечают, что геометрия таких трубок идеально соответствует конфигурации лазера с круговой поляризацией, создавая эффект «замка и ключа» для максимально эффективного взаимодействия.

Расчёты демонстрируют, что предложенная конфигурация способна создавать электрические поля чудовищной мощности — в несколько теравольт на метр. Это открывает возможности, недоступные для современных ускорительных технологий. Важно, что для экспериментальной проверки идеи уже существуют все необходимые компоненты: прецизионно изготовленные нанотрубки и мощные лазеры с круговой поляризацией широко доступны в исследовательских центрах.

Перспективы и потенциальные области применения

Создание компактного ускорителя на чипе способно произвести революцию в доступе к передовым аналитическим методам. Сегодня учёным приходится бороться за время на дорогостоящих и редких синхротронных установках. Настольный источник высококачественного рентгеновского излучения мог бы появиться в обычных больницах, университетских лабораториях и на промышленных предприятиях. Это привело бы к значительным прорывам:

• В медицине: получение более чётких маммограмм и новых методов визуализации мягких тканей без введения контрастных веществ.
• В фармакологии: ускорение разработки и анализа новых лекарственных препаратов.
• В материаловедении и инженерии: проведение неразрушающего контроля микроскопических компонентов и наноструктур.

При этом авторы подчёркивают, что микроускорители не заменят гигантские установки, такие как Большой адронный коллайдер, а будут с ними сосуществовать, демократизируя доступ к мощным исследовательским инструментам для широкого круга специалистов.

Исследование было опубликовано в авторитетном журнале Physical Review Letters.

17.11.2025 26 FacebookXVKontakteOdnoklassnikiTelegram Подпишитесь на нас:Вконтакте / Telegram / Дзен Новости

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Учёные предложили революционную конструкцию на основе углеродных нанотрубок, которая в будущем может позволить создавать компактные частицы ускорители для генерации мощного рентгеновского излучения.