En partikelaccelerator som producerar intensiva röntgenstrålar kan pressas in i en apparat som får plats på ett bord, har mina kollegor och jag upptäckt i ett nytt forskningsprojekt.
Intensiva röntgenstrålar produceras för närvarande med hjälp av en anläggning som kallas synkrotronljuskälla. Dessa används för att studera material, läkemedelsmolekyler och biologiska vävnader. Men även de minsta synkrotronerna som finns idag är ungefär lika stora som en fotbollsstadion.
Vår forskning, som publiceras i tidskriften Physical Review Letters, visar hur små strukturer som kallas kolnanorör och laserljus kan generera starka röntgenstrålar på ett mikrochip. Även om enheten fortfarande befinner sig i konceptstadiet har utvecklingen potential att förändra medicin, materialvetenskap och andra discipliner.
De flesta föreställer sig partikelacceleratorer som enorma maskiner, mycket stora ringar av metall och magneter som sträcker sig kilometer under marken. Large Hadron Collider vid Cern (Europeiska organisationen för kärnforskning) i Genève är till exempel 27 km lång.
Den nya forskningen visar att det snart kan bli möjligt att bygga ultrakompakta acceleratorer som bara är några mikrometer breda – mindre än bredden på ett människohår. Dessa skulle kunna generera koherenta, högenergiska röntgenstrålar liknande dem som produceras av miljardsvängiga synkrotronanläggningar, men med hjälp av enheter som ryms på ett mikrochip.
Vridet ljus
Principen bygger på en särskild egenskap hos ljus som kallas ytplasmonpolaritoner. Det är vågor som bildas när laserljus fastnar på ytan av ett material. I simuleringarna skickades en cirkulärt polariserad laserpuls genom ett litet ihåligt rör. Denna polariserade laserpuls är ljus som vrider sig när det rör sig, ungefär som en korkskruv.
Det virvlande fältet fångar upp och accelererar elektronpartiklar inuti röret och tvingar dem in i en spiralrörelse. När de rör sig synkroniserat avger elektronerna koherent strålning, vilket förstärker ljusets intensitet med upp till två storleksordningar.
Mitt team och jag har skapat en mikroskopisk synkrotron, där samma fysikaliska principer som driver anläggningar i milskala gäller – men på en nanoskopisk nivå.
För att få detta koncept att fungera användes kolnanorör. Dessa är cylindriska strukturer gjorda av kolatomer arrangerade i hexagonala mönster. Dessa nanorör tål mycket höga elektriska fält, hundratals gånger starkare än de i konventionella acceleratorer. De kan också ”växa” vertikalt till vad vi kallar en ”skog” av tätt placerade ihåliga rör.
Denna unika arkitektur ger en idealisk miljö för det spiralformade laserljuset att kopplas ihop med elektronerna. Det cirkulärt polariserade lasern passar nanorörets inre struktur – ungefär som en nyckel i ett lås, vilket är anledningen till att vi refererar till en kvantmekanisk lås-och-nyckel-mekanism.
Forskargruppen som jag ingår i leddes av Bifeng Lei, forskningsassistent vid institutionen för fysik. 3D-simuleringar visade att denna interaktion kan producera elektriska fält på flera teravolt (en biljon volt) per meter. Detta är långt över vad dagens acceleratorteknik kan uppnå.
Denna typ av prestanda kan förändra vem som får tillgång till avancerade röntgenkällor. För närvarande måste forskare ansöka om begränsade tidsluckor vid stora nationella synkrotronanläggningar eller frielektronlasrar, och ofta vänta i månader på några timmars stråltid.
Öppnar upp tillgången
Bordacceleratorn kan göra denna kapacitet tillgänglig på sjukhus, universitet och industriella laboratorier. I själva verket överallt där den behövs.
Inom medicinen kan detta innebära tydligare mammogram och nya bildtekniker som visar mjuka vävnader i oöverträffad detalj, utan kontrastmedel. Inom läkemedelsutveckling kan forskare analysera proteinstrukturer internt, vilket dramatiskt påskyndar utvecklingen av nya terapier. Och inom material-, naturvetenskap och halvledarteknik skulle det kunna möjliggöra icke-destruktiv, höghastighetstestning av känsliga komponenter.
Studien presenterades vid 2025 NanoAc-workshopen om nanoteknik inom acceleratorfysik, som hölls i Liverpool tidigare denna månad. Forskningen befinner sig för närvarande fortfarande i simuleringsstadiet. Men de nödvändiga komponenterna finns redan: kraftfulla cirkulärt polariserade lasrar och precisionsfabrikerade nanorörsstrukturer är standardverktyg i avancerade forskningslaboratorier.
Nästa steg är experimentell verifiering. Om detta lyckas skulle det markera början på en ny generation av ultrakompakta strålkällor. Det som fascinerar mig mest med denna teknik är inte bara fysiken, utan vad den representerar.
Storskaliga acceleratorer har drivit på enorma vetenskapliga framsteg, men de är fortfarande utom räckhåll för de flesta institutioner. En miniatyriserad accelerator som levererar jämförbar prestanda skulle kunna demokratisera tillgången till forskningsverktyg i världsklass och göra banbrytande vetenskap tillgänglig för många fler forskare.
Framtiden för partikelacceleration kan komma att omfatta både mycket stora maskiner som ytterligare utvidgar gränserna för energi, intensitet och upptäckter, och mindre, smartare och mer tillgängliga acceleratorer.
Mer information: Bifeng Lei et al, Coherent Synchrotron Radiation by Excitation of Surface Plasmon Polariton on Near-Critical Solid Microtube Surface, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/cnym-16hc
Denna artikel är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.
