Un acceleratore di particelle da tavolo potrebbe trasformare la medicina e la scienza dei materiali

Una particella acceleratore che produce raggi X intensi potrebbe essere inserito in un dispositivo che sta su un tavolo, hanno scoperto i ricercatori in un nuovo progetto di ricerca.

Il modo in cui vengono attualmente prodotti i raggi X intensi è attraverso una struttura chiamata sorgente di luce di sincrotrone. Questi vengono utilizzati per studiare materiali, molecole di farmaci e tessuti biologici. Anche i più piccoli sincrotroni esistenti, tuttavia, hanno le dimensioni di uno stadio di calcio.

La nostra ricercache è stato accettato per la pubblicazione sulla rivista Lettere di revisione fisicamostra come minuscole strutture chiamate nanotubi di carbonio e luce laser possano generare raggi X brillanti su un microchip. Sebbene il dispositivo sia ancora in fase di progettazione, lo sviluppo ha il potenziale per trasformare la medicina, la scienza dei materiali e altre discipline.

La maggior parte delle persone immagina gli acceleratori di particelle come enormi macchine, grandissimi anelli di metallo e magneti che si estendono per chilometri sotto terra. IL Grande collisore di adroni al Cern (l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare) di Ginevra, ad esempio, è lungo 27 chilometri.

La nuova ricerca mostra che presto potrebbe essere possibile costruire acceleratori ultracompatti larghi solo pochi micrometri, più piccoli della larghezza di un capello umano. Questi potrebbero generare raggi X coerenti e ad alta energia simili a quelli prodotti da impianti di sincrotrone da miliardi di libbre, ma utilizzando dispositivi che si adattano a un microchip.

Luce contorta

Il principio si basa su una particolare proprietà della luce nota come polaritoni plasmonici di superficie. Si tratta di onde che si formano quando la luce laser aderisce alla superficie di un materiale. Nelle simulazioni, un impulso laser polarizzato circolarmente veniva inviato attraverso un minuscolo tubo cavo. Questo impulso laser polarizzato è luce che si torce mentre si muove, proprio come un cavatappi.

Il campo vorticoso intrappola e accelera le particelle di elettroni all’interno del tubo, costringendole a compiere un movimento a spirale. Mentre si muovono in sincronia, gli elettroni emettono radiazioni in modo coerente, amplificando l’intensità della luce fino a due ordini di grandezza.

Io e la mia squadra hanno creato un sincrotrone microscopico, in cui si manifestano gli stessi principi fisici che guidano strutture su scala chilometrica, ma su uno stadio nanoscopico.

Per far funzionare questo concetto, nanotubi di carbonio sono stati utilizzati. Si tratta di strutture cilindriche costituite da atomi di carbonio disposti secondo schemi esagonali. Questi nanotubi possono resistere a campi elettrici molto elevati, centinaia di volte più forti di quelli degli acceleratori convenzionali. Possono anche essere “cresciuti” verticalmente in quella che chiamiamo “foresta” di tubi cavi strettamente allineati.

Questa architettura unica fornisce un ambiente ideale affinché la luce laser del cavatappi si accoppia con gli elettroni. Il laser polarizzato circolarmente si adatta alla struttura interna del nanotubo, proprio come una chiave in una serratura, motivo per cui ci riferiamo a un meccanismo quantistico di serratura e chiave.

Il gruppo di ricerca di cui faccio parte è stato guidato da Bifeng Lei, ricercatore associato presso la Scuola di scienze fisiche. Le simulazioni 3D hanno mostrato che questa interazione può produrre campi elettrici di diversi teravolt (un trilione di volt) per metro. Questo va ben oltre ciò che le attuali tecnologie di accelerazione possono ottenere.

Questo tipo di prestazioni potrebbe cambiare chi ha accesso a fonti di raggi X all’avanguardia. Al momento, gli scienziati devono fare domanda per fasce orarie limitate presso grandi strutture nazionali di sincrotrone o laser a elettroni liberi, spesso aspettando mesi per poche ore di raggio.

Apertura dell’accesso

L’approccio dell’acceleratore da tavolo potrebbe rendere questa capacità disponibile negli ospedali, nelle università e nei laboratori industriali. Infatti, ovunque sia necessario.

In medicina, ciò potrebbe significare mammografie più chiare e nuove tecniche di imaging che rivelano i tessuti molli con dettagli senza precedenti, senza agenti di contrasto. Nello sviluppo dei farmaci, i ricercatori potrebbero analizzare internamente le strutture delle proteine, accelerando notevolmente la progettazione di nuove terapie. E nel campo dei materiali, della scienza e dell’ingegneria dei semiconduttori, potrebbe consentire test non distruttivi e ad alta velocità di componenti delicati.

Lo studio è stato presentato al Workshop sul NanoAc del 2025 sul tema delle nanotecnologie nella fisica degli acceleratori, che si è tenuto a Liverpool all’inizio di questo mese. La ricerca attualmente rimane in fase di simulazione. Ma i componenti necessari esistono già: potenti laser polarizzati circolarmente e strutture di nanotubi fabbricate con precisione sono strumenti standard nei laboratori di ricerca avanzati.

Il passo successivo è la verifica sperimentale. In caso di successo, ciò segnerebbe l’inizio di una nuova generazione di sorgenti di radiazioni ultracompatte. Ciò che mi entusiasma di più di questa tecnologia non è solo la fisica, ma ciò che rappresenta.

Gli acceleratori su larga scala hanno favorito enormi progressi scientifici, ma rimangono fuori dalla portata della maggior parte delle istituzioni. Un acceleratore miniaturizzato che offra prestazioni comparabili potrebbe democratizzare l’accesso a strumenti di ricerca di livello mondiale, portando la scienza di frontiera nelle mani di molti più ricercatori.

Il futuro dell’accelerazione delle particelle potrebbe includere macchine molto grandi per ampliare ulteriormente i confini dell’energia, dell’intensità e della scoperta, nonché acceleratori più piccoli, più intelligenti e più accessibili.

Fonte: Università di Liverpool