本文与 MIT News合作发表。
一个多世纪以来，用于生产X射线的最广泛应用技术基本保持不变，这项技术的应用范围从医学和牙科成像，到检测工业材料中的裂纹。然而，麻省理工学院与新加坡研究人员的一项新分析表明，这一状况在未来几年内可能发生改变。
这一发现基于一项新理论，并得到精确模拟的支持。研究表明，当一片石墨烯（一种二维形式的纯碳）受到激光束光子撞击时，可以产生被称为等离激元的表面波。这些等离激元随后可被触发，产生一束尖锐的辐射脉冲，其波长可调，范围从红外光一直延伸到X射线。
此外，该系统产生的辐射波长一致、准直性高，类似于激光束。研究团队表示，这未来可能使低剂量X射线系统成为可能，从而提高安全性。该项新研究本周发表于期刊 Nature Photonics，论文作者为麻省理工学院教授Marin Soljačić和John Joannopoulos、博士后研究员Ido Kaminer和Ognjen Ilic，以及来自Singapore Institute of Manufacturing Technology的Liang Jie Wong。
Soljačić表示，人们对寻找新的光源生成方式的兴趣日益浓厚，尤其是能够集成到微芯片中的规模，或能够缩小基础科学和生物医学研究所用高强度光束的体积与成本。他表示，在各类常用于应用的电磁辐射波长中，“相干X射线尤其难以产生”。它们的能量也最高。原则上，该系统可以在芯片上实现紫外光源，并制造桌面级X射线装置，产生目前需要庞大且价值数百万美元的粒子加速器才能产生的光束。
为了制造聚焦的高功率X射线束，Kaminer表示：“通常的做法是产生高能带电粒子[利用加速器]，并使其‘摆动’。”“振荡会产生X射线。但这种方法非常昂贵”，而全国仅有的少数能够产生此类光束的设施需求远超供给。“该领域的梦想是使其体积小、成本低。”他说。
大多数X射线源依赖极高能量的电子，而这类电子很难产生。但这一新方法绕开了这一难题，利用了特殊图案化的石墨烯片受到激光束光子撞击时产生的类波等离激元所具有的高度受限能量。当这些等离激元被类似于电子显微镜中所用的常规电子枪发出的脉冲触发时，便可以以窄束X射线的形式释放能量。
“这项成果之所以独特，是因为我们基本上绕开了加速电子的难题，”他说，“其他所有方法都涉及加速电子。而这一方法的独特之处在于，它能够利用低能电子产生X射线。”
此外，该系统在可调谐性方面也独具特色，能够输出单一波长的光束，覆盖范围从红外、经可见光和紫外，一直延伸到X射线。Kaminer解释说，控制输出调谐有三种不同输入：激发等离激元的激光束频率、触发电子束的能量，以及石墨烯片的“掺杂”程度。
研究团队表示，此类光束可应用于晶体学，该领域在许多科学分支中用于确定分子精确的原子结构。由于光束窄而集中，该系统或许还能更精确地定位医学和牙科X射线，他们表示，这可能降低患者所接受的辐射剂量。
Soljačić表示，目前这项工作仍处于理论阶段，基于精确模拟，但该团队过去的模拟结果往往与实验结果高度吻合。“在我们的领域，我们有能力非常精确地对这些现象进行建模。”
他们目前正在构建一台装置，用于在实验室中测试该系统，最初从制造紫外光源开始，逐步过渡到高能X射线。Soljačić表示：“我们希望在一年内对这些原理获得可靠的验证；如果进展顺利，乐观估计可在三年内实现X射线。”
但正如他承认的，任何剧烈变革的新技术，魔鬼都藏在细节之中，意外问题随时可能出现。因此，他带着笑容表示，对于这项技术何时能够产出实用的X射线装置，他的估计是“从三年到永远无法实现”。
克罗地亚萨格勒布大学物理学教授Hrvoje Buljan虽未参与本研究，但表示该工作提供了“一种产生X射线辐射的重要新方法”。他补充道：“实验实施仍有待进行。根据该方案，验证原理的实验所需的全部要素都已具备，此类实验是可行的。”
该研究得到以下机构的支持：美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室（通过Institute for Soldier Nanotechnologies）、科学与工程研究理事会、新加坡A*STAR，以及欧洲研究理事会的Marie Curie IOF资助项目。
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作者：David L. Chandler为MIT News撰稿。
图片：临床负责人Al Story医生指着一张X光片，片中显示一对感染结核病（TB）的肺部。REUTERS/Luke MacGregor
