Il dispositivo di cristallo potrebbe essere utilizzato per costruire minuscoli acceleratori di particelle

Un dispositivo delle dimensioni di un chip può produrre una luce molto intensa che potrebbe aiutare nella costruzione di minuscole macchine a raggi X e acceleratori di particelle

Di Karmela Padavic-Callaghan

4 gennaio 2023

Un'illustrazione di cristalli fotonici, materiali che possono intrappolare e dirigere la luce

J. Joannopoulous/BIBLIOTECA FOTOGRAFICA DELLA SCIENZA

Un dispositivo delle dimensioni di un micrometro che produce luce sparando un fascio di elettroni su una lastra di cristallo potrebbe essere utilizzato per costruire minuscoli acceleratori di particelle e macchine a raggi X. Tali dispositivi delle dimensioni di un chip potrebbero essere prodotti in modo più rapido, economico e compatto rispetto agli attuali acceleratori di particelle.

Costruito da Yi Yang dell'Università di Hong Kong e dai suoi colleghi del Massachusetts Institute of Technology, il nuovo dispositivo è costituito da uno speciale pezzo di silicio chiamato cristallo fotonico, un microscopio elettronico a scansione modificato che spara un fascio di elettroni su di esso e un dispositivo che rileva la luce emessa. L’impianto sfrutta i campi elettromagnetici che circondano gli elettroni mentre si muovono, che possono far sì che le particelle cariche all’interno di un materiale vicino – in questo caso, il cristallo fotonico – si eccitino ed emettano luce.

Dai modelli matematici, i ricercatori sapevano che avrebbero potuto migliorare le interazioni tra il cristallo e gli elettroni aggiungendo uno schema al primo, quindi hanno inciso una griglia di rientranze circolari, ciascuna larga circa 100 nanometri, al suo interno. La luce e gli elettroni normalmente non interagiscono molto, ma progettare l'energia e la quantità di moto della luce in modo che corrispondano a quelli degli elettroni consente interazioni insolitamente grandi tra i due. Questo metodo di abbinamento potrebbe eventualmente aumentare le emissioni luminose fino a un milione di volte, afferma Yang.

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Quella luce ha molti usi potenziali, dalla spettroscopia, in cui la luce aiuta gli scienziati a conoscere la struttura interna di diversi materiali, alla comunicazione basata sulla luce.

In particolare, può essere utilizzato per realizzare minuscoli acceleratori di particelle, afferma Peter Hommelhoff dell'Università di Erlangen-Norimberga in Germania. I ricercatori potrebbero usare intensi impulsi di luce per accelerare le particelle invece di colpirle con le microonde, come è più comune, dice.

Thomas Krauss dell'Università di York nel Regno Unito afferma che il nuovo dispositivo potrebbe non solo rappresentare un passo avanti verso piccoli acceleratori di particelle ma anche verso macchine a raggi X più piccole. I raggi X sono essenzialmente onde luminose con lunghezze d'onda troppo corte per essere viste. Adattando la struttura del silicio e la velocità degli elettroni nel dispositivo, potrebbe essere possibile modificare la lunghezza d'onda della luce emessa in raggi X.

“Quando fai una radiografia dal tuo medico, è una macchina enorme. Ora possiamo immaginare di farlo con una piccola fonte di luce, su un chip”, dice. Ciò potrebbe rendere la tecnologia a raggi X più accessibile per strutture mediche piccole o remote o renderla portatile per l’uso da parte dei primi soccorritori in caso di incidente.

DOI natura: 10.1038/s41586-022-05387-5

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