La collision d'un flux d'électrons avec une lumière laser à proximité d'un réseau de minuscules structures d'argent pourrait être la recette d'une nouvelle source de rayons X qui pourrait révolutionner l'imagerie médicale et l'analyse de sécurité.

Liang Jie Wong du A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) et des collaborateurs du MIT, Le Technion et l'Université de Mons ont mis au point une méthode simple et compacte de génération de rayons X par collision d'électrons libres avec des ondes de surface sur un matériau illuminé par une impulsion laser1.

« Sur la base de nos prédictions théoriques, notre expérience à l'échelle du laboratoire pourra générer une luminosité des rayons X comparable à celle utilisée pour l'imagerie médicale, " a déclaré Wong.

"Avec quelques ajustements, nous sommes optimistes, nous pouvons atteindre la luminosité synchrotron. Nous sommes très excités à ce sujet."

Les synchrotrons sont des sources de rayons X dont le rayonnement est suffisamment brillant pour permettre une étude détaillée de structures minuscules telles que des protéines ou des cristaux complexes. Cependant, ce sont de grandes installations; généralement des dizaines de mètres d'échelle qui nécessitent des bâtiments entiers pour les abriter.

Wong et son équipe envisagent un appareil de table pour leurs générateurs de rayons X, qui reposent sur l'interaction entre un laser à des longueurs d'onde comprises entre l'infrarouge et l'ultraviolet, et des énergies des électrons autour de cinq méga-électrons-volts, un régime réalisable par les canons à électrons de pointe actuels.

L'arène pour l'interaction entre le laser et les électrons est un réseau de structures d'argent microscopiques sur une lame de verre. Le laser est dirigé vers la surface selon un angle, créant des ondes de surface appelées polaritons plasmoniques. Les électrons sont ensuite projetés parallèlement à la surface dans les ondes de surface, qui interagissent avec les électrons libres, faisant onduler leurs trajectoires, qui génère des rayons X.

La conversion ascendante en énergies des rayons X est le résultat des propriétés des polaritons plasmoniques, particules hybrides formées par couplage d'électrons et de photons. Ces particules hybrides sont fortement confinées en surface, qui concentre l'intensité. La dimension spatiale étant fortement réduite, la quantité de mouvement du polariton est fortement augmentée à une énergie donnée, résultant en la conversion de polaritons de plasmons de quelques eV en rayons X de keV, utilisant des énergies d'électrons de MeV.

"C'est un processus électrodynamique que personne n'avait prédit, " a déclaré Wong.

L'équipe a exploré une gamme de configurations pour le métamatériau, avec des groupes de structures dont la taille et l'espacement vont de 5 nanomètres à 26 nanomètres et régulièrement espacés d'environ 90 nanomètres.

Les résultats ont montré qu'il était possible de contrôler les caractéristiques spatiales et temporelles des rayons X en modifiant des paramètres tels que la géométrie de la métasurface, ou la forme des paquets d'ondes électroniques. La possibilité de contrôler les caractéristiques du faisceau est un énorme avantage car les rayons X sont difficiles à focaliser et à diriger :ils ont tendance à traverser la plupart des matériaux sans interagir.

Par exemple, Wong fait remarquer qu'avec la bonne configuration, des rayons X hautement directionnels qui sont en pas (cohérents) peuvent être générés. "Pour une sortie cohérente, vous devez vous assurer que votre paquet d'ondes d'électrons est correctement formé, " dit Wong.

La génération de rayons X cohérents donne au procédé un gros avantage par rapport à l'imagerie médicale conventionnelle car il permet une imagerie en contraste de phase, une technique qui peut donner un contraste plus élevé que les processus d'absorption qui forment les scans à rayons X conventionnels.

L'équipe a développé un logiciel pour effectuer des calculs ab initio en utilisant la théorie électromagnétique classique, puis les a recoupées avec une seconde approche basée sur l'électrodynamique quantique. Ils ont trouvé un excellent accord entre les deux approches, ce qui leur a donné confiance pour passer à l'étape suivante.

Wong et ses collègues prévoient maintenant de mener des expériences de preuve de principe avec la nouvelle source de rayons X.

« Si nous parvenons à nous développer, l'impact sera assez révolutionnaire. Au lieu de n'avoir que quelques synchrotrons à utiliser, vous pouvez mettre une source de rayons X à haute luminosité dans chaque laboratoire et hôpital, " il dit.