Röntgenemission freier Elektronen, die auf ein Van-der-Waals-Material treffen.Bildnachweis: Technion – Israel Institute of Technology
Technion-Forscher haben präzise Strahlungsquellen entwickelt, die voraussichtlich zu Durchbrüchen in der medizinischen Bildgebung und anderen Bereichen führen werden.Sie haben präzise Strahlungsquellen entwickelt, die die teuren und umständlichen Anlagen ersetzen könnten, die derzeit für solche Aufgaben verwendet werden.Das vorgeschlagene Gerät erzeugt kontrollierte Strahlung mit einem schmalen Spektrum, das mit hoher Auflösung abgestimmt werden kann, und das bei relativ geringem Energieaufwand.Die Ergebnisse werden wahrscheinlich zu Durchbrüchen in einer Vielzahl von Bereichen führen, darunter bei der Analyse von Chemikalien und biologischen Materialien, der medizinischen Bildgebung, Röntgengeräten für Sicherheitskontrollen und anderen Anwendungen präziser Röntgenquellen.

Die in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlichte Studie wurde von Professor Ido Kaminer und seinem Masterstudenten Michael Shentcis im Rahmen einer Zusammenarbeit mit mehreren Forschungsinstituten am Technion geleitet: der Andrew and Erna Viterbi Faculty of Electrical Engineering, dem Solid State Institute, dem Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI) und das Helen Diller Center for Quantum Science, Matter and Engineering.

Die Arbeit der Forscher zeigt eine experimentelle Beobachtung, die den ersten Proof-of-Concept für theoretische Modelle liefert, die im letzten Jahrzehnt in einer Reihe grundlegender Artikel entwickelt wurden.Der erste Artikel zu diesem Thema erschien auch in Nature Photonics.Dieses von Prof. Kaminer während seines Postdoc-Aufenthalts am MIT unter der Leitung von Prof. Marin Soljacic und Prof. John Joannopoulos verfasste Papier stellte theoretisch dar, wie zweidimensionale Materialien Röntgenstrahlen erzeugen können.Laut Prof. Kaminer „markierte dieser Artikel den Beginn einer Reise zu Strahlungsquellen, die auf der einzigartigen Physik zweidimensionaler Materialien und ihrer verschiedenen Kombinationen – Heterostrukturen – basieren.“Wir haben auf dem theoretischen Durchbruch dieses Artikels aufgebaut, um eine Reihe von Folgeartikeln zu entwickeln, und jetzt freuen wir uns, die erste experimentelle Beobachtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung aus solchen Materialien bei gleichzeitiger präziser Steuerung der Strahlungsparameter bekannt zu geben .“

Zweidimensionale Materialien sind einzigartige künstliche Strukturen, die die wissenschaftliche Gemeinschaft um das Jahr 2004 mit der Entwicklung von Graphen durch die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov, die später 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten, im Sturm eroberten. Graphen ist eine künstliche Struktur von a einzelne Atomdicke aus Kohlenstoffatomen.Die ersten Graphenstrukturen schufen die beiden Nobelpreisträger, indem sie mit Klebeband dünne Graphitschichten, das „Schreibmaterial“ des Bleistifts, abzogen.Die beiden Wissenschaftler und nachfolgenden Forscher entdeckten, dass Graphen einzigartige und überraschende Eigenschaften aufweist, die sich von den Eigenschaften von Graphit unterscheiden: enorme Festigkeit, nahezu vollständige Transparenz, elektrische Leitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit, die Strahlungsemission ermöglicht – ein Aspekt, der mit dem vorliegenden Artikel zusammenhängt.Diese einzigartigen Eigenschaften machen Graphen und andere zweidimensionale Materialien vielversprechend für zukünftige Generationen chemischer und biologischer Sensoren, Solarzellen, Halbleiter, Monitore und mehr.

Ein weiterer Nobelpreisträger, der erwähnt werden sollte, bevor wir auf die vorliegende Studie zurückkommen, ist Johannes Diderik van der Waals, der genau hundert Jahre zuvor, im Jahr 1910, den Nobelpreis für Physik erhielt. Im Mittelpunkt stehen die heute nach ihm benannten Materialien – vdW-Materialien Die Forschung von Prof. Kaminer.Graphen ist ebenfalls ein Beispiel für ein vdW-Material, aber die neue Studie kommt nun zu dem Ergebnis, dass andere fortschrittliche vdW-Materialien für die Erzeugung von Röntgenstrahlen nützlicher sind.Die Technion-Forscher haben verschiedene vdW-Materialien hergestellt und Elektronenstrahlen in bestimmten Winkeln durch sie geschickt, die auf kontrollierte und genaue Weise zu einer Röntgenemission führten.Darüber hinaus demonstrierten die Forscher die präzise Abstimmbarkeit des Strahlungsspektrums mit beispielloser Auflösung und nutzten dabei die Flexibilität bei der Gestaltung von vdW-Materialfamilien.

Der neue Artikel der Forschungsgruppe enthält experimentelle Ergebnisse und neue Theorien, die zusammen einen Proof-of-Concept für eine innovative Anwendung zweidimensionaler Materialien als kompaktes System liefern, das kontrollierte und genaue Strahlung erzeugt.

„Das Experiment und die Theorie, die wir zu seiner Erklärung entwickelt haben, leisten einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkungen und ebnen den Weg für vielfältige Anwendungen in der Röntgenbildgebung (z. B. medizinisches Röntgen) und der verwendeten Röntgenspektroskopie.“ zur Charakterisierung von Materialien und zukünftigen Quantenlichtquellen im Röntgenbereich“, sagte Prof. Kaminer.