Röntgenstraling door vrije elektronen die op een van der Waals materiaal vallen.Krediet: Technion – Israel Institute of Technology
Technion-onderzoekers hebben nauwkeurige stralingsbronnen ontwikkeld die naar verwachting zullen leiden tot doorbraken op het gebied van medische beeldvorming en andere gebieden.Ze hebben nauwkeurige stralingsbronnen ontwikkeld die de dure en omslachtige faciliteiten die momenteel voor dergelijke taken worden gebruikt, kunnen vervangen.Het voorgestelde apparaat produceert gecontroleerde straling met een smal spectrum die met een hoge resolutie kan worden afgestemd, tegen een relatief lage energie-investering.De bevindingen zullen waarschijnlijk leiden tot doorbraken op verschillende gebieden, waaronder de analyse van chemicaliën en biologische materialen, medische beeldvorming, röntgenapparatuur voor veiligheidsonderzoeken en ander gebruik van nauwkeurige röntgenbronnen.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics, werd geleid door professor Ido Kaminer en zijn masterstudent Michael Shentcis als onderdeel van een samenwerking met verschillende onderzoeksinstituten van het Technion: de Andrew en Erna Viterbi Faculteit Elektrotechniek, het Solid State Institute, de Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI) en het Helen Diller Center for Quantum Science, Matter and Engineering.

De paper van de onderzoekers toont een experimentele observatie die de eerste proof-of-concept levert voor theoretische modellen die het afgelopen decennium zijn ontwikkeld in een reeks constitutieve artikelen.Het eerste artikel hierover verscheen ook in Nature Photonics.Geschreven door prof. Kaminer tijdens zijn postdoc aan het MIT, onder supervisie van prof. Marin Soljacic en prof. John Joannopoulos, presenteerde dat document theoretisch hoe tweedimensionale materialen röntgenstralen kunnen creëren.Volgens prof. Kaminer, “markeerde dat artikel het begin van een reis naar stralingsbronnen gebaseerd op de unieke fysica van tweedimensionale materialen en hun verschillende combinaties—heterostructuren.We hebben voortgebouwd op de theoretische doorbraak van dat artikel om een ​​reeks vervolgartikelen te ontwikkelen, en nu zijn we verheugd om de eerste experimentele observatie aan te kondigen over het creëren van röntgenstraling uit dergelijke materialen, terwijl we de stralingsparameters nauwkeurig regelen .”

Tweedimensionale materialen zijn unieke kunstmatige structuren die de wetenschappelijke gemeenschap rond het jaar 2004 stormenderhand veroverden met de ontwikkeling van grafeen door natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov, die later in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde wonnen. Grafeen is een kunstmatige structuur van een enkele atomaire dikte gemaakt van koolstofatomen.De eerste grafeenstructuren werden gemaakt door de twee Nobelprijswinnaars door dunne laagjes grafiet, het 'schrijfmateriaal' van het potlood, af te pellen met behulp van ducttape.De twee wetenschappers en daaropvolgende onderzoekers ontdekten dat grafeen unieke en verrassende eigenschappen heeft die verschillen van grafieteigenschappen: immense sterkte, bijna volledige transparantie, elektrische geleidbaarheid en lichtdoorlatend vermogen dat stralingsemissie mogelijk maakt - een aspect dat verband houdt met dit artikel.Deze unieke kenmerken maken grafeen en andere tweedimensionale materialen veelbelovend voor toekomstige generaties chemische en biologische sensoren, zonnecellen, halfgeleiders, monitoren en meer.

Een andere Nobelprijswinnaar die genoemd moet worden alvorens terug te keren naar het huidige onderzoek is Johannes Diderik van der Waals, die precies honderd jaar eerder, in 1910, de Nobelprijs voor de natuurkunde won. De materialen die nu naar hem zijn vernoemd – vdW-materialen – staan ​​centraal in Onderzoek van prof. Kaminer.Grafeen is ook een voorbeeld van een vdW-materiaal, maar uit de nieuwe studie blijkt nu dat andere geavanceerde vdW-materialen nuttiger zijn voor het produceren van röntgenstralen.De Technion-onderzoekers hebben verschillende vdW-materialen gemaakt en daar onder specifieke hoeken elektronenstralen doorheen gestuurd die op een gecontroleerde en nauwkeurige manier tot röntgenstraling hebben geleid.Bovendien toonden de onderzoekers een nauwkeurige afstemming van het stralingsspectrum met een ongekende resolutie, gebruikmakend van de flexibiliteit bij het ontwerpen van families van vdW-materialen.

Het nieuwe artikel van de onderzoeksgroep bevat experimentele resultaten en nieuwe theorie die samen een proof-of-concept opleveren voor een innovatieve toepassing van tweedimensionale materialen als een compact systeem dat gecontroleerde en nauwkeurige straling produceert.

"Het experiment en de theorie die we hebben ontwikkeld om het uit te leggen, leveren een belangrijke bijdrage aan de studie van licht-materie-interacties en maken de weg vrij voor uiteenlopende toepassingen in röntgenbeeldvorming (bijvoorbeeld medische röntgenstraling), gebruikte röntgenspectroscopie om materialen en toekomstige kwantumlichtbronnen in het röntgenregime te karakteriseren, "zei prof. Kaminer.