Un dispositivo de cristal podría usarse para construir pequeños aceleradores de partículas

Un dispositivo del tamaño de un chip puede producir una luz muy intensa que podría ayudar a construir pequeñas máquinas de rayos X y aceleradores de partículas.

Por Karmela Padavic-Callaghan

4 enero 2023

Una ilustración de cristales fotónicos, materiales que pueden atrapar y dirigir la luz.

J. Joannopoulous/BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA

Un dispositivo de tamaño micrométrico que produce luz disparando un haz de electrones sobre una placa de cristal podría usarse para construir pequeños aceleradores de partículas y máquinas de rayos X. Estos dispositivos del tamaño de un chip podrían fabricarse de forma más rápida, económica y compacta que los aceleradores de partículas actuales.

Construido por Yi Yang de la Universidad de Hong Kong y sus colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts, el nuevo dispositivo consta de una pieza especial de silicio llamada cristal fotónico, un microscopio electrónico de barrido modificado que dispara un haz de electrones sobre él y un Dispositivo que detecta la luz emitida. La configuración aprovecha los campos electromagnéticos que rodean a los electrones a medida que se mueven, lo que puede hacer que las partículas cargadas dentro de un material cercano (en este caso, el cristal fotónico) se exciten y emitan luz.

A partir de modelos matemáticos, los investigadores sabían que podían mejorar las interacciones entre el cristal y los electrones añadiendo un patrón al primero, por lo que grabaron en él una rejilla de hendiduras circulares, cada una de unos 100 nanómetros de ancho. La luz y los electrones normalmente no interactúan mucho, pero diseñar la energía y el impulso de la luz para que coincidan con los de los electrones permite interacciones inusualmente grandes entre los dos. Este método de comparación podría eventualmente mejorar las emisiones de luz hasta un millón de veces, afirma Yang.

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Esa luz tiene muchos usos potenciales, desde la espectroscopia, en la que la luz ayuda a los científicos a aprender sobre la estructura interna de diferentes materiales, hasta la comunicación basada en la luz.

En particular, puede utilizarse para fabricar pequeños aceleradores de partículas, afirma Peter Hommelhoff, de la Universidad de Erlangen-Nuremberg, en Alemania. Los investigadores podrían utilizar pulsos de luz intensos para acelerar las partículas en lugar de golpearlas con microondas, como es más común, afirma.

Thomas Krauss de la Universidad de York en el Reino Unido dice que el nuevo dispositivo puede no sólo ser un paso hacia pequeños aceleradores de partículas sino también hacia máquinas de rayos X más pequeñas. Los rayos X son esencialmente ondas de luz con longitudes de onda demasiado cortas para que podamos verlas. Adaptando el patrón del silicio y la velocidad de los electrones en el dispositivo, podría ser posible cambiar la longitud de onda de la luz emitida a rayos X.

“Cuando tu médico te hace una radiografía, es una máquina enorme. Ahora podemos imaginarnos hacerlo con una pequeña fuente de luz, en un chip”, afirma. Eso podría hacer que la tecnología de rayos X sea más accesible para instalaciones médicas pequeñas o remotas o hacerla portátil para que la utilicen los socorristas en caso de accidente.

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

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