Учёные предложили способ создать источник мощного когерентного рентгеновского излучения, который вместо гигантского комплекса размером со стадион может уместиться на обычном столе. Новая работа показывает, что принципы синхротрона — одного из ключевых инструментов современной науки — можно реализовать внутри структуры шириной всего в несколько микрометров.
Что такое синхротрон и почему он такой огромный
Синхротронные источники света — это крупные кольцевые ускорители, где электроны разгоняются до огромных энергий и излучают интенсивные рентгеновские лучи. Эти лучи используют для изучения материалов, сложных белков, лекарственных молекул и биологических тканей. Даже самые компактные синхротроны сегодня занимают площадь футбольного поля — и это серьёзно ограничивает доступ к ним.
Но исследователи нашли способ «упаковать» те же физические процессы в миниатюрную конструкцию, уже сопоставимую по размеру с толщиной человеческого волоса.
Принцип действия: лазер, вихри и нанотрубки
Ключевой элемент — поверхностные плазмонные поляритоны. Это волны, возникающие на поверхности материала, когда лазерный свет «прилипает» к ней. В моделировании учёные пропускали циркулярно поляризованный лазерный импульс через крошечную полую трубку. Лазер закручивался внутри неё словно штопор, создавая вращающееся электромагнитное поле.
Внутри этого вихревого поля электроны захватывались, ускорялись и начинали двигаться синхронно по спирали. Такой упорядоченный «танец» усиливает излучение: рентгеновские лучи становятся когерентными, а их мощность — выше на два порядка.
Главная роль в реализации этого мини-синхротрона принадлежит углеродным нанотрубкам. Эти цилиндрические структуры на атомном уровне выдерживают электрические поля, которые в сотни раз превосходят допустимые значения для обычных ускорителей.
Когда нанотрубки выращивают вертикально и формируют плотный «лес», они создают идеальный канал для закрученного лазерного пучка. Геометрия трубок естественным образом совпадает с формой циркулярно поляризованного света — своего рода «замок и ключ», как описывает команда.
Симуляции под руководством Биферна Лея из Ливерпульского университета показали: такая конфигурация способна создавать электрические поля величиной в несколько теравольт на метр. Это невероятно высокие значения, далеко выходящие за пределы современных технологий.
По словам профессора Карстена Вельша, всё необходимое оборудование — точно сформированные нанотрубные структуры и мощные лазеры — уже используется в продвинутых лабораториях. Это делает следующий шаг, практическую проверку теории, вполне реальным.
Зачем это нужно
Сегодня, чтобы получить доступ к мощному рентгеновскому пучку, исследователи подают заявки в национальные синхротронные центры или на свободно-электронные лазеры. Очередь длинная, время работы строго ограничено.
Компактный рентгеновский источник, способный дать сравнимое качество луча, может радикально изменить ситуацию. Университеты, больницы и промышленные лаборатории смогут создавать собственные установки, не завися от расписания больших научных центров.
Для медицины это означает более чёткие маммограммы и новые методы визуализации мягких тканей без контрастных веществ. В фармакологии — более быструю структурную биологию и ускоренное открытие лекарств. В материаловедении — возможность исследовать хрупкие и сложные компоненты прямо на рабочем столе, не боясь их повредить.
Как отмечает Вельш, такие устройства смогут закрыть «инфраструктурный разрыв» между огромными научными объектами и повседневными задачами исследовательских групп.
Исследователи подчёркивают, что карманные ускорители не заменят гигантов вроде Большого адронного коллайдера. Те остаются незаменимыми для фундаментальной физики и экспериментов на энергиях, недостижимых для компактных систем.
Но два направления смогут идти параллельно. Большие установки продолжат расширять границы науки, а маленькие — сделают передовые методы анализа доступными каждому исследовательскому центру. Портативный ускоритель, способный выдавать рентгеновское излучение уровня синхротрона, — это не просто технологический прорыв. Это шаг к новой модели научной инфраструктуры.
Работа представлена на конференции NanoAc 2025 по нанотехнологиям в физике ускорителей и опубликована в журнале Physical Review Letters.
