Röntgenstrålning från fria elektroner som träffar ett van der Waals-material.Kredit: Technion – Israel Institute of Technology
Technions forskare har utvecklat exakta strålkällor som förväntas leda till genombrott inom medicinsk bildbehandling och andra områden.De har utvecklat exakta strålkällor som kan ersätta de dyra och krångliga anläggningar som för närvarande används för sådana uppgifter.Den föreslagna apparaten producerar kontrollerad strålning med ett smalt spektrum som kan ställas in med hög upplösning, med en relativt låg energiinvestering.Fynden kommer sannolikt att leda till genombrott inom en mängd olika områden, inklusive analys av kemikalier och biologiska material, medicinsk bildbehandling, röntgenutrustning för säkerhetskontroll och annan användning av korrekta röntgenkällor.

Studien publicerades i tidskriften Nature Photonics och leddes av professor Ido Kaminer och hans masterstudent Michael Shentcis som en del av ett samarbete med flera forskningsinstitut vid Technion: Andrew och Erna Viterbi fakulteten för elektroteknik, Solid State Institute, Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI) och Helen Diller Center for Quantum Science, Matter and Engineering.

Forskarnas artikel visar en experimentell observation som ger det första proof-of-concept för teoretiska modeller som utvecklats under det senaste decenniet i en serie konstitutiva artiklar.Den första artikeln om ämnet dök också upp i Nature Photonics.Skriven av Prof. Kaminer under sin postdoc vid MIT, under ledning av Prof. Marin Soljacic och Prof. John Joannopoulos, presenterade denna artikel teoretiskt hur tvådimensionella material kan skapa röntgenstrålar.Enligt Prof. Kaminer, ”markerade den artikeln början på en resa mot strålningskällor baserad på den unika fysiken hos tvådimensionella material och deras olika kombinationer – heterostrukturer.Vi har byggt vidare på det teoretiska genombrottet från den artikeln för att utveckla en serie uppföljande artiklar, och nu är vi glada över att tillkännage den första experimentella observationen om skapandet av röntgenstrålning från sådana material, samtidigt som vi kontrollerar strålningsparametrarna exakt. .”

Tvådimensionella material är unika konstgjorda strukturer som tog det vetenskapliga samfundet med storm runt år 2004 med utvecklingen av grafen av fysikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov, som senare vann Nobelpriset i fysik 2010. Grafen är en artificiell struktur av en enkel atomtjocklek gjord av kolatomer.De första grafenstrukturerna skapades av de två nobelpristagarna genom att skala av tunna lager grafit, pennans "skrivmaterial", med hjälp av tejp.De två forskarna och efterföljande forskare upptäckte att grafen har unika och överraskande egenskaper som skiljer sig från grafitegenskaper: enorm styrka, nästan fullständig transparens, elektrisk ledningsförmåga och ljusöverföringsförmåga som tillåter strålningsemission - en aspekt relaterad till denna artikel.Dessa unika egenskaper gör grafen och andra tvådimensionella material lovande för framtida generationer av kemiska och biologiska sensorer, solceller, halvledare, monitorer och mer.

En annan nobelpristagare som bör nämnas innan han återvänder till denna studie är Johannes Diderik van der Waals, som vann Nobelpriset i fysik exakt hundra år tidigare, 1910. Materialet som nu är uppkallat efter honom – vdW-material – är i fokus för Prof. Kaminers forskning.Grafen är också ett exempel på ett vdW-material, men den nya studien visar nu att andra avancerade vdW-material är mer användbara för att producera röntgenstrålar.Technion-forskarna har producerat olika vdW-material och skickat elektronstrålar genom dem i specifika vinklar som ledde till röntgenstrålning på ett kontrollerat och exakt sätt.Vidare visade forskarna exakt avstämning av strålningsspektrumet med oöverträffad upplösning, genom att utnyttja flexibiliteten i att designa familjer av vdW-material.

Den nya artikeln av forskargruppen innehåller experimentella resultat och ny teori som tillsammans ger ett proof-of-concept för en innovativ tillämpning av tvådimensionella material som ett kompakt system som producerar kontrollerad och exakt strålning.

"Experimentet och teorin vi utvecklade för att förklara det ger ett betydande bidrag till studien av ljus-materia-interaktioner och banar väg för olika tillämpningar inom röntgenavbildning (medicinsk röntgen, till exempel), röntgenspektroskopi används att karakterisera material och framtida kvantljuskällor i röntgenregimen, säger prof. Kaminer.