Far collidere un flusso di elettroni con la luce laser vicino a una serie di minuscole strutture d'argento potrebbe essere la ricetta per una nuova sorgente di raggi X che potrebbe rivoluzionare l'imaging medico e la scansione di sicurezza.

Liang Jie Wong dell'A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) e collaboratori del MIT, Technion e l'Università di Mons hanno ideato un metodo semplice e compatto per generare raggi X facendo scontrare elettroni liberi con onde superficiali su un materiale illuminato da un impulso laser1.

"Sulla base delle nostre previsioni teoriche, il nostro esperimento su scala di laboratorio sarà in grado di generare una luminosità dei raggi X paragonabile a quella utilizzata per l'imaging medico, "Ha detto Wong.

"Con alcune modifiche, siamo ottimisti, possiamo raggiungere la luminosità del sincrotrone. Siamo molto entusiasti di questo".

I sincrotroni sono sorgenti di raggi X la cui radiazione è sufficientemente luminosa da consentire lo studio dettagliato di strutture minuscole come proteine ​​o cristalli complessi. Però, sono grandi installazioni; tipicamente decine di metri di scala che richiedono interi edifici per ospitarli.

Wong e il suo team immaginano un apparato da tavolo per i loro generatori di raggi X, che si basano sull'interazione tra un laser a lunghezze d'onda tra infrarossi e ultravioletti, ed energie degli elettroni intorno ai cinque mega-elettronvolt, un regime raggiungibile dagli attuali cannoni elettronici all'avanguardia.

L'arena per l'interazione tra il laser e gli elettroni è una serie di strutture microscopiche d'argento su un vetrino. Il laser è diretto alla superficie ad angolo, creando onde superficiali chiamate polaritoni plasmonici. Gli elettroni vengono quindi sparati parallelamente alla superficie nelle onde di superficie, che interagiscono con gli elettroni liberi, facendo ondeggiare le loro traiettorie, che genera raggi X.

L'up-conversione alle energie dei raggi X è il risultato delle proprietà dei polaritoni plasmonici, particelle ibride formate dall'accoppiamento di elettroni e fotoni. Queste particelle ibride sono fortemente confinate sulla superficie, che concentra l'intensità. Poiché la dimensione spaziale è notevolmente ridotta, la quantità di moto del polaritone è notevolmente aumentata a una data energia, con conseguente conversione da polaritoni plasmonici di pochi eV in raggi X keV, utilizzando le energie degli elettroni MeV.

"È un processo elettrodinamico che nessuno aveva previsto, "Ha detto Wong.

Il team ha esplorato una gamma di configurazioni per il metamateriale, con gruppi di strutture che variano in dimensione e spaziatura da 5 nanometri a 26 nanometri e distanziati regolarmente di circa 90 nanometri l'uno dall'altro.

I risultati hanno mostrato che era possibile controllare le caratteristiche spaziali e temporali dei raggi X modificando parametri come la geometria della metasuperficie, o la forma dei pacchetti d'onda elettronici. La capacità di controllare le caratteristiche del raggio è un enorme vantaggio perché i raggi X sono difficili da mettere a fuoco e dirigere:tendono a passare attraverso la maggior parte dei materiali senza interagire.

Come esempio, Wong sottolinea che con la giusta configurazione, possono essere generati raggi X altamente direzionali che sono in fase (coerenti). "Per un output coerente, devi assicurarti che il tuo pacchetto di onde elettroniche sia adeguatamente modellato, " dice Wong.

La generazione di raggi X coerenti offre al processo un grande vantaggio rispetto all'imaging medico convenzionale perché consente l'imaging a contrasto di fase, una tecnica che può dare un contrasto maggiore rispetto ai processi di assorbimento che formano le scansioni a raggi X convenzionali.

Il team ha sviluppato un software per eseguire calcoli ab initio utilizzando la teoria elettromagnetica classica, e poi li ha incrociati con un secondo approccio basato sull'elettrodinamica quantistica. Hanno trovato un ottimo accordo tra i due approcci, che ha dato loro la fiducia per fare il passo successivo.

Wong e i suoi collaboratori hanno ora in programma di condurre esperimenti di prova di principio con la nuova sorgente di raggi X.

"Se riusciamo a crescere, l'impatto sarà abbastanza rivoluzionario. Invece di avere solo pochi sincrotroni da usare, puoi mettere una sorgente di raggi X ad alta luminosità in ogni laboratorio e ospedale, " lui dice.