Kristallgeräte könnten zum Bau winziger Teilchenbeschleuniger verwendet werden

Ein Gerät in Chipgröße kann sehr intensives Licht erzeugen, das beim Bau winziger Röntgengeräte und Teilchenbeschleuniger hilfreich sein könnte

Von Karmela Padavic-Callaghan

4. Januar 2023

Eine Illustration von photonischen Kristallen, Materialien, die Licht einfangen und lenken können

J. Joannopoulous/WISSENSCHAFTLICHE FOTOBIBLIOTHEK

Ein mikrometergroßes Gerät, das Licht erzeugt, indem es einen Elektronenstrahl über eine Kristallplatte feuert, könnte zum Bau winziger Teilchenbeschleuniger und Röntgengeräte verwendet werden. Solche Geräte in Chipgröße könnten schneller, kostengünstiger und kompakter hergestellt werden als aktuelle Teilchenbeschleuniger.

Das neue Gerät wurde von Yi Yang an der Universität Hongkong und seinen Kollegen am Massachusetts Institute of Technology gebaut und besteht aus einem speziellen Stück Silizium, einem sogenannten photonischen Kristall, einem modifizierten Rasterelektronenmikroskop, das einen Elektronenstrahl darüber feuert, und einem Gerät, das das emittierte Licht erkennt. Der Aufbau nutzt die elektromagnetischen Felder, die Elektronen bei ihrer Bewegung umgeben, wodurch geladene Teilchen in einem nahegelegenen Material – in diesem Fall dem photonischen Kristall – angeregt werden und Licht emittieren können.

Anhand mathematischer Modelle wussten die Forscher, dass sie die Wechselwirkungen zwischen dem Kristall und den Elektronen verbessern könnten, indem sie dem Kristall ein Muster hinzufügen. Deshalb ätzten sie ein Gitter aus kreisförmigen Vertiefungen mit einer Breite von jeweils etwa 100 Nanometern in den Kristall. Normalerweise interagieren Licht und Elektronen nicht viel miteinander, aber die Anpassung der Energie und des Impulses des Lichts an die der Elektronen ermöglicht ungewöhnlich große Wechselwirkungen zwischen beiden. Diese Anpassungsmethode könnte die Lichtemissionen letztendlich um das Millionenfache steigern, sagt Yang.

Dieses Licht hat viele potenzielle Einsatzmöglichkeiten, von der Spektroskopie, bei der das Licht Wissenschaftlern dabei hilft, mehr über die innere Struktur verschiedener Materialien zu erfahren, bis hin zur lichtbasierten Kommunikation.

Insbesondere könne man daraus winzige Teilchenbeschleuniger bauen, sagt Peter Hommelhoff von der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland. Forscher könnten Teilchen mit intensiven Lichtimpulsen beschleunigen, anstatt sie, wie üblich, mit Mikrowellen zu treffen, sagt er.

Thomas Krauss von der University of York im Vereinigten Königreich sagt, dass das neue Gerät nicht nur ein Schritt in Richtung winziger Teilchenbeschleuniger, sondern auch in Richtung kleinerer Röntgengeräte sein könnte. Röntgenstrahlen sind im Wesentlichen Lichtwellen mit zu kurzen Wellenlängen, als dass wir sie sehen könnten. Durch die Anpassung des Siliziummusters und der Geschwindigkeit der Elektronen im Gerät könnte es möglich sein, die Wellenlänge des emittierten Lichts in Röntgenstrahlen umzuwandeln.

„Wenn Sie bei Ihrem Arzt eine Röntgenaufnahme machen, ist das eine riesige Maschine. Jetzt können wir uns vorstellen, es mit einer kleinen Lichtquelle auf einem Chip zu machen“, sagt er. Dies könnte die Röntgentechnologie für kleine oder abgelegene medizinische Einrichtungen zugänglicher machen oder sie für den Einsatz durch Ersthelfer bei einem Unfall tragbar machen.

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

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