Un acelerador de partículas que produce rayos X intensos podría introducirse en un dispositivo que cabe en una mesa, según descubrimos mis colegas y yo en un nuevo proyecto de investigación.
La forma en que se producen actualmente los intensos rayos X es a través de una instalación llamada fuente de luz sincrotrón. Estos se utilizan para estudiar materiales, moléculas de fármacos y tejidos biológicos. Sin embargo, incluso los sincrotrones más pequeños que existen actualmente tienen aproximadamente el tamaño de un estadio de fútbol.
Nuestra investigación, que ha sido aceptada para su publicación en la revista Physical Review Letters, muestra cómo pequeñas estructuras llamadas nanotubos de carbono y luz láser podrían generar rayos X brillantes en un microchip. Aunque el dispositivo aún se encuentra en la etapa de concepto, el desarrollo tiene el potencial de transformar la medicina, la ciencia de materiales y otras disciplinas.
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La mayoría de la gente imagina los aceleradores de partículas como máquinas enormes, anillos de metal muy grandes e imanes que se extienden a lo largo de kilómetros bajo tierra. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear) en Ginebra, por ejemplo, tiene 27 kilómetros (17 millas) de largo.
La nueva investigación muestra que pronto será posible construir aceleradores ultracompactos de sólo unos pocos micrómetros de ancho, más pequeños que el ancho de un cabello humano. Estos podrían generar rayos X coherentes y de alta energía similares a los producidos por instalaciones de sincrotrón de miles de millones de libras, pero utilizando dispositivos que caben en un microchip.
luz retorcida
El principio se basa en una propiedad particular de la luz conocida como polaritones de plasmón superficial. Son ondas que se forman cuando la luz láser se adhiere a la superficie de un material. En las simulaciones, se envió un pulso láser polarizado circularmente a través de un pequeño tubo hueco. Este pulso láser polarizado es luz que gira a medida que se mueve, muy parecido a un sacacorchos.
El campo giratorio atrapa y acelera las partículas de electrones dentro del tubo, obligándolas a realizar un movimiento en espiral. A medida que se mueven sincronizados, los electrones emiten radiación de manera coherente, amplificando la intensidad de la luz hasta dos órdenes de magnitud.
Mi equipo y yo hemos creado un sincrotrón microscópico, donde se desarrollan los mismos principios físicos que impulsan las instalaciones de escala kilométrica, pero en un escenario nanoscópico.
Para que este concepto funcione, se utilizaron nanotubos de carbono. Se trata de estructuras cilíndricas formadas por átomos de carbono dispuestos en patrones hexagonales. Estos nanotubos pueden soportar campos eléctricos muy intensos, cientos de veces más fuertes que los de los aceleradores convencionales. También se pueden “crecer” verticalmente hasta formar lo que llamamos un “bosque” de tubos huecos muy alineados.
Esta arquitectura única proporciona un entorno ideal para que la luz láser en espiral se acople con los electrones. El láser polarizado circularmente se adapta a la estructura interna del nanotubo, como una llave en una cerradura, razón por la cual nos referimos a un mecanismo cuántico de cerradura y llave.
El equipo de investigación del que formo parte fue dirigido por Bifeng Lei, investigador asociado de la facultad de ciencias físicas. Las simulaciones en 3D demostraron que esta interacción puede producir campos eléctricos de varios teravoltios (un billón de voltios) por metro. Esto va mucho más allá de lo que pueden lograr las tecnologías de aceleración actuales.
Ese tipo de desempeño podría cambiar quién tiene acceso a fuentes de rayos X de vanguardia. En la actualidad, los científicos deben solicitar espacios de tiempo limitados en grandes instalaciones nacionales de sincrotrón o láseres de electrones libres, a menudo esperando meses para obtener unas pocas horas de tiempo de emisión.
Abrir el acceso
El enfoque del acelerador de mesa podría hacer que esta capacidad esté disponible en hospitales, universidades y laboratorios industriales. De hecho, donde sea necesario.
En medicina, esto podría significar mamografías más claras y nuevas técnicas de imagen que revelen los tejidos blandos con un detalle sin precedentes, sin agentes de contraste.
En el desarrollo de fármacos, los investigadores podrían analizar las estructuras de las proteínas internamente, acelerando drásticamente el diseño de nuevas terapias. Y en ciencia de materiales e ingeniería de semiconductores, podría permitir pruebas no destructivas y de alta velocidad de componentes delicados.
El estudio se presentó en el taller NanoAc 2025 sobre el tema de la nanotecnología en la física de aceleradores, que se celebró en Liverpool a principios de este mes. La investigación actualmente se encuentra en la etapa de simulación. Pero los componentes necesarios ya existen: potentes láseres polarizados circularmente y estructuras de nanotubos fabricadas con precisión son herramientas estándar en los laboratorios de investigación avanzados.
El siguiente paso es la verificación experimental. Si tiene éxito, esto marcaría el comienzo de una nueva generación de fuentes de radiación ultracompactas. Lo que más me entusiasma de esta tecnología no es sólo la física, sino lo que representa.
Los aceleradores a gran escala han impulsado enormes avances científicos, pero siguen fuera del alcance de la mayoría de las instituciones. Un acelerador miniaturizado que ofrezca un rendimiento comparable podría democratizar el acceso a herramientas de investigación de primer nivel, poniendo la ciencia de vanguardia en manos de muchos más investigadores.
El futuro de la aceleración de partículas podría incluir máquinas muy grandes para ampliar aún más los límites de la energía, la intensidad y el descubrimiento, así como aceleradores más pequeños, más inteligentes y más accesibles.
Carsten P Welsch, profesor de física, Universidad de Liverpool
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.