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革新的な新しい種類の粒子加速器は科学を変革する可能性がある : ScienceAlert

現在、強力な X 線を生成する方法は、シンクロトロン光源と呼ばれる施設を通じて行われます。これらは、材料、薬物分子、生体組織の研究に使用されます。しかし、現存する最も小さなシンクロトロンでも、サッカースタジアムほどの大きさがあります。私たちの 研究、ジャーナルへの掲載が受理されました 物理的なレビューレターは、カーボン ナノチューブと呼ばれる小さな構造とレーザー光がマイクロチップ上でどのようにして明るい X 線を生成できるかを示しています。この装置はまだ構想段階にあるが、この開発は医学、材料科学、その他の分野を変革する可能性を秘めている。CERN の大型ハドロン衝突型加速器は、長さが 27 キロメートルにも及びます。 (マクシミリアン・ブライス/CERN)新しい研究は、人間の髪の毛の幅よりも小さい幅わずか数マイクロメートルの超小型加速器を間もなく構築できる可能性があることを示している。これらは、10億ポンドのシンクロトロン施設で生成されるものと同様のコヒーレントな高エネルギーX線を生成する可能性があるが、マイクロチップに適合するデバイスを使用する。ツイストライトこの原理は、表面プラズモン ポラリトンとして知られる光の特定の性質に基づいています。これらは、レーザー光が物質の表面に付着したときに形成される波です。シミュレーションでは、円偏光レーザーパルスが小さな中空チューブを通して送信されました。この偏光レーザー パルスは、コルク抜きのように、移動するにつれてねじれる光です。デスクトップ粒子加速器の図。 (B. レイ、リバプール大学/カールステン・ウェルシュ)私のチームと私 彼らは、マイル規模の施設を駆動するのと同じ物理原理が機能する微視的なシンクロトロンを作成しましたが、その舞台はナノスケールです。このコンセプトを実現するには、 カーボンナノチューブ 使用されていました。これらは、六角形のパターンに配置された炭素原子で構成される円筒構造です。これらのナノチューブは、従来の加速器の電場よりも数百倍強い非常に高い電場に耐えることができます。それらはまた、密に整列した中空管の「フォレスト」と呼ばれるものに垂直に「成長」することもできます。密接に整列して成長したカーボン ナノチューブは、レーザー光の「コルク栓抜き」に使用できます。 (サイエンスフォトライブラリ/Canva)このユニークな構造は、コルク抜きレーザー光が電子と結合するための理想的な環境を提供します。円偏光レーザーは、鍵の鍵のようにナノチューブの内部構造に適合します。これが、量子ロックアンドキー機構と呼ばれる理由です。私が所属している研究チームは、物理科学部の研究員である Bifeng Lei が率いていました。 3D シミュレーションでは、この相互作用によって 1 メートルあたり数テラボルト (1 兆ボルト) の電場が生成される可能性があることが示されました。これは、現在の加速器技術が達成できることをはるかに超えています。このようなパフォーマンスによって、誰が最先端の X 線源にアクセスできるかが変わる可能性があります。現在、科学者は大規模な国立放射光施設や自由電子レーザーの限られた時間枠に申請しなければならず、数時間のビームタイムを得るために数か月待つこともよくあります。アクセスを開放する卓上アクセラレータのアプローチにより、病院、大学、工業研究所でこの機能が利用できるようになる可能性があります。実際、必要な場所ならどこでも。医学において、これは、より鮮明なマンモグラムと、造影剤を使用せずにかつてないほど詳細に軟組織を明らかにする新しい画像技術を意味する可能性があります。医薬品開発では、研究者が社内でタンパク質の構造を分析できるため、新しい治療法の設計が劇的にスピードアップします。また、材料科学や半導体工学においては、繊細なコンポーネントの非破壊で高速なテストが可能になる可能性があります。この研究は、 2025年NanoAcワークショップ 今月初めにリバプールで開催された、加速器物理学におけるナノテクノロジーをテーマとした講演会。研究は現在、シミュレーション段階にとどまっている。しかし、必要なコンポーネントはすでに存在しています。強力な円偏光レーザーと精密に製造されたナノチューブ構造は、先進的な研究ラボの標準ツールです。次のステップは実験による検証です。成功すれば、新世代の超小型放射線源の始まりとなるだろう。このテクノロジーについて私が最も興奮しているのは、物理学だけではなく、それが何を表現しているのかということです。大規模加速器は科学の大きな進歩をもたらしましたが、ほとんどの機関にとっては依然として手の届かないところにあります。同等の性能を発揮する小型加速器があれば、世界クラスの研究ツールへのアクセスが民主化され、より多くの研究者の手に最先端の科学がもたらされる可能性がある。カールステン・P・ウェルシュ、物理学教授、 リバプール大学 #革新的な新しい種類の粒子加速器は科学を変革する可能性がある #ScienceAlert