Por: Carsten P Welsch
En un nuevo proyecto de investigación, mis colegas y yo hemos descubierto que un acelerador de partículas que produce rayos X intensos podría integrarse en un dispositivo que cabe sobre una mesa. Actualmente, los rayos X de alta intensidad se producen mediante una instalación llamada sincrotrón. Estos se utilizan para estudiar materiales, moléculas de fármacos y tejidos biológicos. Sin embargo, incluso los sincrotrones más pequeños que existen tienen aproximadamente el tamaño de un estadio de fútbol.
Nuestra investigación, aceptada para su publicación en la revista Physical Review Letters, muestra cómo unas diminutas estructuras llamadas nanotubos de carbono y la luz láser podrían generar rayos X de alta intensidad en un microchip. Aunque el dispositivo aún se encuentra en fase conceptual, su desarrollo tiene el potencial de transformar la medicina, la ciencia de los materiales y otras disciplinas.
La mayoría de la gente imagina los aceleradores de partículas como máquinas enormes, grandes anillos de metal e imanes que se extienden kilómetros bajo tierra. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en Ginebra, por ejemplo, tiene 27 km de longitud.
La nueva investigación demuestra que pronto podría ser posible construir aceleradores ultracompactos de apenas unos micrómetros de ancho, más pequeños que el grosor de un cabello humano. Estos podrían generar rayos X coherentes de alta energía, similares a los producidos por las 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. Se trata de ondas que se forman cuando la luz láser incide sobre la superficie de un material. En las simulaciones, se envió un pulso láser con polarización circular a través de un diminuto tubo hueco. Este pulso láser polarizado es luz que se retuerce al moverse, de forma muy similar a un sacacorchos.
El campo magnético en espiral atrapa y acelera las partículas de electrones dentro del tubo, obligándolas a realizar un movimiento espiral. Al moverse de forma sincronizada, los electrones emiten radiación de manera coherente, amplificando la intensidad de la luz hasta en dos órdenes de magnitud. Mi equipo y yo hemos creado un sincrotrón microscópico, donde se aplican los mismos principios físicos que impulsan las instalaciones de escala kilométrica, pero a escala nanométrica.
Para que este concepto funcionara, 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. Además, pueden crecer verticalmente formando lo que denominamos un “bosque” de tubos huecos estrechamente alineados.
Esta arquitectura única proporciona un entorno ideal para que la luz láser helicoidal se acople con los electrones. El láser polarizado circularmente encaja en la estructura interna del nanotubo, como una llave en una cerradura, por lo que hablamos de un mecanismo cuántico de llave y cerradura.
El equipo de investigación del que formo parte estaba 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 supera con creces la capacidad de las tecnologías de aceleradores actuales.
Ese tipo de resultados podría cambiar quién tiene acceso a las fuentes de rayos X más avanzadas. En la actualidad, los científicos deben solicitar franjas horarias limitadas en las grandes instalaciones nacionales de sincrotrón o en los láseres de electrones libres, y a menudo esperan meses para conseguir unas pocas horas de haz.
Abrir el acceso
El enfoque del acelerador de sobremesa podría poner esta capacidad a disposición de hospitales, universidades y laboratorios industriales. De hecho, en cualquier lugar donde se necesite. En medicina, esto podría significar mamografías más nítidas y nuevas técnicas de imagen que revelen los tejidos blandos con un detalle sin precedentes, sin necesidad de agentes de contraste.
En el desarrollo de fármacos, los investigadores podrían analizar internamente las estructuras proteicas, acelerando drásticamente el diseño de nuevas terapias. Y en la ciencia de los materiales y la ingeniería de semiconductores, permitiría realizar pruebas no destructivas y de alta velocidad de componentes delicados.
El estudio se presentó en el taller NanoAc 2025 sobre nanotecnología en física de aceleradores, celebrado en Liverpool a principios de este mes. La investigación se encuentra actualmente en fase de simulación. Sin embargo, los componentes necesarios ya existen: láseres de polarización circular de alta potencia y estructuras de nanotubos fabricadas con precisión son herramientas habituales en los laboratorios de investigación avanzada.
El siguiente paso es la verificación experimental. De tener éxito, esto marcaría el inicio 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 estando fuera del alcance de la mayoría de las instituciones. Un acelerador miniaturizado con un rendimiento comparable podría democratizar el acceso a herramientas de investigación de primer nivel, poniendo la ciencia de vanguardia al alcance de muchos más investigadores. El futuro de la aceleración de partículas podría incluir máquinas muy grandes para seguir ampliando los límites de la energía, la intensidad y los descubrimientos, así como aceleradores más pequeños, inteligentes y accesibles.
Este artículo es una traducción de otro publicado en The Conversation. Puedes leer el texto original haciendo clic aquí.
