La colisión de una corriente de electrones con luz láser cerca de una serie de diminutas estructuras plateadas podría ser la receta para una nueva fuente de rayos X que podría revolucionar las imágenes médicas y el escaneo de seguridad.

Liang Jie Wong del A * STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) y colaboradores del MIT, Technion y la Universidad de Mons han ideado un método simple y compacto para generar rayos X colisionando electrones libres con ondas superficiales en un material iluminado por un pulso láser1.

"Según nuestras predicciones teóricas, Nuestro experimento a escala de laboratorio podrá generar un brillo de rayos X comparable al que se utiliza para imágenes médicas. "Dijo Wong.

"Con algunos ajustes, somos optimistas de que podemos alcanzar el brillo del sincrotrón. Estamos muy emocionados por eso ".

Los sincrotrones son fuentes de rayos X cuya radiación es lo suficientemente brillante como para permitir un estudio detallado de estructuras diminutas como proteínas o cristales complejos. Sin embargo, son grandes instalaciones; típicamente decenas de metros en escala que requieren edificios enteros para albergarlos.

Wong y su equipo prevén un aparato de mesa para sus generadores de rayos X, que se basan en la interacción entre un láser en longitudes de onda entre infrarrojo y ultravioleta, y energías electrónicas alrededor de cinco megaelectronvoltios, un régimen que se puede lograr con los cañones de electrones de última generación.

La arena para la interacción entre el láser y los electrones es una serie de estructuras de plata microscópicas en un portaobjetos de vidrio. El láser se dirige a la superficie en un ángulo, creando ondas superficiales llamadas polaritones de plasmón. Luego, los electrones se disparan en paralelo a la superficie en las ondas superficiales, que interactúan con los electrones libres, haciendo que sus trayectorias se ondulen, que genera rayos X.

La conversión ascendente a energías de rayos X es el resultado de las propiedades de los polaritones de plasmón, partículas híbridas formadas por el acoplamiento de electrones y fotones. Estas partículas híbridas están fuertemente confinadas en la superficie, que concentra la intensidad. Como la dimensión espacial se reduce en gran medida, El impulso del polaritón aumenta enormemente a una energía dada, resultando en la conversión de polaritones de plasmón de pocos eV en rayos X keV, utilizando energías de electrones MeV.

"Es un proceso electrodinámico que nadie había predicho, "Dijo Wong.

El equipo exploró una variedad de configuraciones para el metamaterial, con grupos de estructuras que varían en tamaño y espaciamiento de 5 nanómetros a 26 nanómetros y espaciados regularmente alrededor de 90 nanómetros.

Los resultados mostraron que era posible controlar las características espaciales y temporales de los rayos X cambiando parámetros como la geometría de la metasuperficie, o la forma de los paquetes de ondas de electrones. La capacidad de controlar las características del haz es un gran beneficio porque los rayos X son difíciles de enfocar y dirigir:tienden a atravesar la mayoría de los materiales sin interactuar.

Como ejemplo, Wong señala que con la configuración correcta, Se pueden generar rayos X altamente direccionales que están en paso (coherentes). "Para una salida coherente, debe asegurarse de que su paquete de ondas de electrones tenga la forma adecuada, "Dice Wong.

La generación de rayos X coherentes le da al proceso una gran ventaja sobre las imágenes médicas convencionales porque permite imágenes de contraste de fase, una técnica que puede dar un mayor contraste que los procesos de absorción que forman las radiografías convencionales.

El equipo desarrolló un software para realizar cálculos ab initio utilizando la teoría electromagnética clásica, y luego los verificó con un segundo enfoque basado en la electrodinámica cuántica. Encontraron una excelente concordancia entre los dos enfoques, lo que les ha dado confianza para dar el siguiente paso.

Wong y sus compañeros de trabajo ahora planean realizar experimentos de prueba de principio con la nueva fuente de rayos X.

"Si logramos escalar, el impacto será bastante revolucionario. En lugar de tener algunos sincrotrones para usar, puede colocar una fuente de rayos X de alto brillo en todos los laboratorios y hospitales, " él dice.