Ein kristallines Gerät kann zum Bau von Mikropartikelbeschleunigern verwendet werden

Ein Gerät in Chipgröße kann so intensives Licht erzeugen, dass es beim Bau kleiner Röntgengeräte und Teilchenbeschleuniger helfen könnte

von Carmela Badavich Callahan

Ein mikrometergroßes Gerät, das Licht erzeugt, indem es einen Elektronenstrahl über eine Kristallplatte schießt, könnte zum Bau von Mikropartikelbeschleunigern und Röntgengeräten verwendet werden. Solche Geräte in Wafergröße können schneller, billiger und kompakter hergestellt werden als aktuelle Teilchenbeschleuniger.

Das neue Gerät, das von Yi Yang an der Universität Hongkong und Kollegen am MIT hergestellt wurde, besteht aus einem speziellen Stück Silizium, das als photonischer Kristall bezeichnet wird, einem modifizierten Rasterelektronenmikroskop, das einen Elektronenstrahl darauf schießt. Ein Gerät, das emittiertes Licht erkennt. Der Aufbau nutzt die elektromagnetischen Felder, die die Elektronen umgeben, während sie sich bewegen, was dazu führen kann, dass geladene Teilchen in einem nahe gelegenen Material – in diesem Fall einem photonischen Kristall – angeregt werden und Licht emittieren.

Aus mathematischen Modellen wussten die Forscher, dass sie die Wechselwirkungen zwischen dem Kristall und den Elektronen verstärken konnten, indem sie dem ersteren ein Muster hinzufügten, also ätzten sie ein Gitter aus kreisförmigen Vertiefungen mit einer Breite von jeweils etwa 100 Nanometern. Licht und Elektronen interagieren normalerweise nicht viel, aber wenn die Energie und der Impuls des Lichts so konstruiert werden, dass sie der Energie der Elektronen entsprechen, können ungewöhnlich große Wechselwirkungen zwischen den beiden auftreten. Diese Anpassungsmethode könnte die Lichtemissionen schließlich um das Millionenfache steigern, sagt Yang.

Dieses Licht hat viele 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 kann es zur Herstellung von Mikropartikelbeschleunigern verwendet werden, sagt Peter Hummelhoff von der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland. Die Forscher könnten die Teilchen mit intensiven Lichtimpulsen beschleunigen, anstatt sie wie üblich mit Mikrowellen zu treffen, sagt er.

Thomas Krause von der University of York in Großbritannien sagt, dass das neue Gerät nicht nur ein Schritt in Richtung kleiner Teilchenbeschleuniger, sondern auch in Richtung kleinerer Röntgengeräte sein könnte. Röntgenstrahlen sind im Grunde Lichtwellen mit zu kurzen Wellenlängen, als dass wir sie sehen könnten. Durch Anpassen des Siliziummusters und der Geschwindigkeit der Elektronen in der Vorrichtung kann es möglich sein, die Wellenlänge des emittierten Lichts in Röntgenstrahlen zu ändern.

“Wenn Sie Ihrem Arzt ein Röntgenbild geben, ist das eine große Bestie von einer 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 oder für den Einsatz durch Ersthelfer bei einem Vorfall tragbar machen.