A colisão de um fluxo de elétrons com luz laser perto de uma série de minúsculas estruturas de prata pode ser a receita para uma nova fonte de raios-X que pode revolucionar a imagem médica e o escaneamento de segurança.

Liang Jie Wong do A * STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) e colaboradores do MIT, Technion e a Universidade de Mons desenvolveram um método simples e compacto de geração de raios X pela colisão de elétrons livres com ondas de superfície em um material iluminado por um pulso de laser1.

"Com base em nossas previsões teóricas, nosso experimento em escala de laboratório será capaz de gerar um brilho de raios-X comparável ao usado para imagens médicas, "Wong disse.

"Com alguns ajustes, estamos otimistas de que podemos atingir o brilho do síncrotron. Estamos muito entusiasmados com isso. "

Os sincrotrons são fontes de raios-X cuja radiação é brilhante o suficiente para permitir o estudo detalhado de estruturas minúsculas, como proteínas ou cristais complexos. Contudo, são grandes instalações; normalmente dezenas de metros em escala que requerem edifícios inteiros para abrigá-los.

Wong e sua equipe prevêem um aparelho de mesa para seus geradores de raios-X, que dependem da interação entre um laser em comprimentos de onda entre infravermelho e ultravioleta, e energias de elétrons em torno de cinco megaelétron volts, um regime alcançável pelos atuais canhões de elétrons de última geração.

A arena para a interação entre o laser e os elétrons é uma série de estruturas microscópicas de prata em uma lâmina de vidro. O laser é direcionado para a superfície em um ângulo, criando ondas de superfície chamadas polaritons de plasmon. Os elétrons são lançados paralelamente à superfície nas ondas de superfície, que interagem com os elétrons livres, fazendo com que suas trajetórias ondulem, que gera raios-X.

A conversão ascendente para energias de raios-X é um resultado das propriedades dos polaritons de plasmon, partículas híbridas formadas pelo acoplamento de elétrons e fótons. Essas partículas híbridas são fortemente confinadas na superfície, que concentra a intensidade. Como a dimensão espacial é bastante reduzida, o momento do polariton é bastante aumentado em uma determinada energia, resultando na conversão de polaritons de plasmon de poucos eV em raios-X keV, usando energias de elétrons MeV.

"É um processo eletrodinâmico que ninguém previu, "Wong disse.

A equipe explorou uma gama de configurações para o metamaterial, com grupos de estruturas que variam em tamanho e espaçamento de 5 nanômetros a 26 nanômetros e espaçados regularmente em torno de 90 nanômetros.

Os resultados mostraram que foi possível controlar as características espaciais e temporais dos raios-X alterando parâmetros como a geometria da metassuperfície, ou a forma dos pacotes de ondas de elétrons. A capacidade de controlar os recursos do feixe é um grande benefício porque os raios X são difíceis de focar e direcionar:eles tendem a passar pela maioria dos materiais sem interagir.

Como um exemplo, Wong aponta que com a configuração certa, raios X altamente direcionais que estão em passo (coerentes) podem ser gerados. "Para uma saída coerente, você precisa ter certeza de que seu pacote de onda de elétrons está formatado corretamente, "Wong diz.

A geração de raios-X coerentes dá ao processo uma grande vantagem sobre as imagens médicas convencionais porque permite imagens de contraste de fase, uma técnica que pode fornecer maior contraste do que os processos de absorção que formam os exames convencionais de raios-X.

A equipe desenvolveu um software para fazer cálculos ab initio usando a teoria eletromagnética clássica, e depois compará-los com uma segunda abordagem baseada na eletrodinâmica quântica. Eles encontraram excelente concordância entre as duas abordagens, o que lhes deu confiança para dar o próximo passo.

Wong e seus colegas agora planejam conduzir experimentos de prova de princípios com a nova fonte de raios-X.

"Se conseguirmos aumentar a escala, o impacto será bastante revolucionário. Em vez de apenas ter alguns síncrotrons para usar, você pode colocar uma fonte de raios-X de alto brilho em cada laboratório e hospital, " ele diz.