Elektroniske oscillationer i grafen kunne gøre en bordpladekilde til røntgenstråler til virkelighed

Siden deres opdagelse i 1895, Røntgenstråler har ført til betydelige fremskridt inden for videnskaben, medicin og industri. Fra sondering af fjerne galakser til screening i lufthavnssikkerhed og facilitering af medicinsk diagnose, de har givet os mulighed for at se ud over overfladen og se, hvad der ligger nedenunder.

Nu, et samarbejde mellem A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) og Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har foreslået en alsidig, retningsbestemt røntgenkilde, der kunne passe på en laboratoriebænk og er baseret på det spændende todimensionelle materiale grafen.

Røntgenstråler er højfrekvente elektromagnetiske bølger, der kan genereres ved hjælp af røntgenrørteknologi eller fra enorme kilder som synkrotroner og kilometerlange frie elektronlasere.

Men røntgenrørkilder, populært brugt i medicinsk diagnostik, udsender stråling i alle retninger, spilder en betydelig mængde af de genererede røntgenstråler. De er heller ikke 'tunable', betyder, at en anden røntgenkilde skal installeres i en diagnostisk enhed for hver ønsket bølgelængde.

Kilometer lange frie elektronlasere, på den anden side, kan producere intense, afstembare røntgenstråler ved at accelerere frie elektroner til ekstremt høje energier og derefter få dem til at 'vrikke' ved hjælp af magneter. Men disse enorme røntgenkilder findes kun få steder i verden og er opstaldet i meget store, dyre faciliteter.

En røntgenkilde, der er både lille og kraftig, har været meget eftertragtet i nogen tid.

Til denne ende, holdet af SIMTech-MIT forskere brugte grafen, et etatom-tykt ark af kulstofatomer, hvilken, blandt andet, kan understøtte plasmoner:samlinger af elektroniske svingninger, der kan bruges til at begrænse og manipulere lys på skalaer på omkring ti nanometer.

Holdet udviklede først et robust simuleringsværktøj, der modellerer den nøjagtige fysik af elektroner, der interagerer med et plasmonfelt, der opretholdes på et grafenark aflejret på et stykke 'dielektrik', eller isolerende, materiale. Ved at udføre numeriske simuleringer, holdet viste, at denne opsætning inducerer en "vrikkende" bevægelse i elektroner affyret gennem grafenplasmonerne, får elektronerne til at producere højfrekvent røntgenstråling. Simuleringerne stemte overens med den analytiske teori udviklet af holdet for at forklare, hvordan elektroner og plasmoner interagerer for at producere røntgenstråler.

Et iøjnefaldende kendetegn ved en sådan kilde vil være dens 'pointerbarhed', hvilket vil øge effektiviteten og dermed reducere omkostningerne ved at sikre, at al den genererede stråling går, hvor den er beregnet. Dette vil gøre kilden lovende for medicinske behandlinger, da den kan bruges til at målrette tumorer mere præcist og dermed minimere skader på omgivende organer og celler.

Det mest attraktive vil måske være kildens alsidighed. Udgangsstrålingsfrekvensen kan indstilles i realtid fra længere infrarøde stråler til kortere røntgenstråler ved at modificere forskellige elementer i kilden, såsom elektronernes hastighed, frekvensen af ​​grafenplasmonerne og grafenens ledningsevne.

Denne fleksible, compact source er lovende som et omkostningseffektivt alternativ til de højintensive stråler, der bruges til grundlæggende videnskabelig og biomedicinsk forskning. "Selvom der er lang vej til den faktiske realisering, dette er en meget spændende forskningsretning, " siger Liang Jie Wong fra SIMTech. "At udvikle en intens røntgenkilde, der kan passe på et bord eller holdes i ens hånd, ville potentielt revolutionere mange områder inden for videnskab og teknologi."

Holdet planlægger derefter at eksperimentelt verificere deres koncept med proof-of-principle forsøg.