Eine neue Studie zeigt, dass Teilchenbeschleuniger, die hochenergetische Röntgenstrahlen erzeugen, in Geräte im Desktop-Format komprimiert werden können. Traditionelle Synchrotronstrahlungsquellen werden zwar häufig in der Material-, Arzneimittel- und Gewebeforschung eingesetzt, sind aber enorm groß – selbst die kleinsten Geräte haben etwa die Größe eines Fußballfelds. Die in *Physical Review Letters* veröffentlichte Studie schlägt vor, mithilfe von Kohlenstoffnanoröhren und Lasertechnologie hochenergetische Röntgenstrahlen auf einem Mikrochip zu erzeugen. Dies eröffnet transformative Möglichkeiten für Bereiche wie Medizin und Materialwissenschaften.

Herkömmliche Teilchenbeschleuniger sind oft riesige Ringstrukturen aus Metall und Magneten, wie beispielsweise der 27 Kilometer lange Large Hadron Collider (LHC) am CERN. Neue Simulationen zeigen, dass ultrakompakte Beschleuniger mit einer Breite von nur wenigen Mikrometern in Zukunft möglich sein könnten. Sie würden kohärente, hochenergetische Röntgenstrahlung erzeugen, vergleichbar mit der von milliardenschweren Synchrotronanlagen. Die Geräte ließen sich in einen Mikrochip integrieren. Dieser Durchbruch basiert auf dem Prinzip der Oberflächenplasmonenresonanz – einer speziellen Welle, die entsteht, wenn ein Laser auf eine Materialoberfläche trifft. Wird ein zirkular polarisierter Laserpuls in ein winziges Hohlröhrchen geleitet, erfährt seine Ausbreitung eine spiralförmige Drehung. Dadurch werden Elektronen in einem rotierenden Magnetfeld eingefangen und beschleunigt, was zur synchronen Emission von Strahlung führt und die Lichtintensität um zwei Größenordnungen erhöht.

Lei Bifeng, Leiter des Forschungsteams und Wissenschaftler an der Fakultät für Physik, erklärte, dass dieses Miniatur-Synchrotron die physikalischen Prinzipien von Anlagen im Kilometermaßstab auf die Nanoskala übertragen habe. Kohlenstoffnanoröhren sind ein Schlüsselmaterial, da sie extrem starken elektrischen Feldern standhalten (hunderte Male stärker als in herkömmlichen Beschleunigern) und vertikal wachsen können, um eine Art „Wald“ zu bilden. Ihre zylindrische Anordnung bietet ideale Bedingungen für die Laser-Elektronen-Kopplung. Die Passung zwischen dem zirkular polarisierten Laser und der inneren Struktur der Nanoröhren wird vom Forschungsteam als „quantenmechanischer Schlüssel-Schloss-Mechanismus“ bezeichnet. Dreidimensionale Simulationen zeigen, dass diese Wechselwirkung elektrische Felder von Billionen Volt pro Meter erzeugen kann, die die derzeitigen Technologien weit übertreffen.

Sollte diese Technologie implementiert werden, wird sie die Gewinnung hochmoderner Röntgenquellen revolutionieren. Derzeit müssen Wissenschaftler Nutzungszeiten an großen Synchrotronstrahlungsanlagen beantragen und oft monatelang warten. Desktop-Beschleunigerlösungen ermöglichen den direkten Einsatz dieser Technologie in Krankenhäusern, Universitäten und Industrielaboren und treiben so Bereiche wie die medizinische Bildgebung (z. B. schärfere Mammografien), die Arzneimittelentwicklung (z. B. autonome Proteinstrukturanalyse) und die Materialwissenschaft (z. B. zerstörungsfreie Prüfung von Präzisionsbauteilen) voran.

Diese Entwicklung wurde Anfang des Monats auf dem NanoAc Symposium 2025 in Liverpool (Thema: „Nanotechnologie in der Beschleunigerphysik“) vorgestellt und befindet sich derzeit in der Simulationsphase. Das Forschungsteam betont jedoch, dass die notwendigen Komponenten, wie zirkular polarisierte Laser und präzise Nanoröhrenstrukturen, bereits verfügbar sind und der nächste Schritt die experimentelle Verifizierung ist. Bei Erfolg könnte dies die Geburtsstunde einer neuen Generation ultrakompakter Strahlungsquellen markieren und modernste wissenschaftliche Instrumente einem breiteren Publikum zugänglich machen.

Weitere Informationen: Bifeng Lei et al., „Coherent Synchrotron Radiation from Surface Plasmon Excitations on Near-Critical Solid Microtubes“, Physical Review Letters (2025).