Het botsen van een stroom elektronen met laserlicht in de buurt van een reeks kleine zilverstructuren zou het recept kunnen zijn voor een nieuwe röntgenbron die een revolutie teweeg kan brengen in medische beeldvorming en beveiligingsscanning.

Liang Jie Wong van het A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) en medewerkers van MIT, Technion en de Universiteit van Bergen hebben een eenvoudige en compacte methode bedacht om röntgenstralen te genereren door vrije elektronen te laten botsen met oppervlaktegolven op een materiaal dat wordt verlicht door een laserpuls1.

"Op basis van onze theoretische voorspellingen, ons experiment op laboratoriumschaal zal een röntgenhelderheid kunnen genereren die vergelijkbaar is met die voor medische beeldvorming, ' zei Wong.

"Met wat aanpassingen, we zijn optimistisch dat we de synchrotron-helderheid kunnen bereiken. Daar zijn we erg enthousiast over."

Synchrotrons zijn röntgenbronnen waarvan de straling helder genoeg is om gedetailleerde studie van kleine structuren zoals eiwitten of complexe kristallen mogelijk te maken. Echter, het zijn grote installaties; typisch tientallen meters in omvang waarvoor hele gebouwen nodig zijn om ze te huisvesten.

Wong en zijn team bedenken een tafelapparaat voor hun röntgengeneratoren, die afhankelijk zijn van de interactie tussen een laser op golflengten tussen infrarood en ultraviolet, en elektronenenergieën rond vijf mega-elektronvolt, een regime dat haalbaar is met de huidige state-of-the-art elektronenkanonnen.

De arena voor de interactie tussen de laser en de elektronen is een reeks microscopisch kleine zilverstructuren op een glasplaatje. De laser wordt onder een hoek op het oppervlak gericht, oppervlaktegolven creëren die plasmonpolaritonen worden genoemd. De elektronen worden dan evenwijdig aan het oppervlak in de oppervlaktegolven geschoten, die interageren met de vrije elektronen, waardoor hun banen golven, die röntgenstraling genereert.

De opwaartse conversie naar röntgenenergieën is het resultaat van de eigenschappen van plasmonpolaritonen, hybride deeltjes gevormd door het koppelen van elektronen en fotonen. Deze hybride deeltjes zijn sterk opgesloten aan het oppervlak, die de intensiteit concentreert. Omdat de ruimtelijke dimensie sterk wordt verkleind, het momentum van de polariton wordt sterk verhoogd bij een bepaalde energie, resulterend in de omzetting van enkele eV plasmonpolaritonen in keV-röntgenstralen, gebruikmakend van MeV-elektronenenergieën.

"Het is een elektrodynamisch proces dat niemand had voorspeld, ' zei Wong.

Het team onderzocht een reeks configuraties voor het metamateriaal, met groepen structuren variërend in grootte en tussenruimte van 5 nanometer tot 26 nanometer en regelmatig op een onderlinge afstand van ongeveer 90 nanometer.

De resultaten toonden aan dat het mogelijk was om de ruimtelijke en temporele kenmerken van de röntgenstralen te controleren door parameters zoals de geometrie van het metaoppervlak te veranderen, of de vorm van de elektronengolfpakketten. De mogelijkheid om de eigenschappen van de straal te regelen is een enorm voordeel, omdat het lastig is om röntgenstralen scherp te stellen en te sturen:ze gaan door de meeste materialen heen zonder interactie.

Als voorbeeld, Wong wijst erop dat met de juiste configuratie, sterk gerichte röntgenstralen die in stap (coherent) zijn, kunnen worden gegenereerd. "Voor coherente output, je moet ervoor zorgen dat je elektronengolfpakket de juiste vorm heeft, ' zegt Wong.

Het genereren van coherente röntgenstralen geeft het proces een groot voordeel ten opzichte van conventionele medische beeldvorming omdat het fasecontrastbeeldvorming mogelijk maakt, een techniek die een hoger contrast kan geven dan de absorptieprocessen die conventionele röntgenscans vormen.

Het team ontwikkelde software om ab initio-berekeningen te maken met behulp van klassieke elektromagnetische theorie, en controleerde ze vervolgens met een tweede benadering op basis van kwantumelektrodynamica. Ze vonden een uitstekende overeenkomst tussen de twee benaderingen, wat hen het vertrouwen heeft gegeven om de volgende stap te zetten.

Wong en zijn collega's zijn nu van plan om proof-of-principle-experimenten uit te voeren met de nieuwe röntgenbron.

“Als we erin slagen om op te schalen, de impact zal behoorlijk revolutionair zijn. In plaats van slechts een paar synchrotrons te gebruiken, je kunt in elk laboratorium en ziekenhuis een röntgenbron met hoge helderheid plaatsen, " hij zegt.