本記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。
X線の製造に最も広く用いられている技術は、医療・歯科の画像診断から工業材料の亀裂検査に至るまで、一世紀以上にわたってほぼ変わらずに続いてきました。しかし、MITおよびシンガポールの研究者による新たな分析に基づけば、今後数年のうちにそれが変わる可能性があります。
この発見は、厳密なシミュレーションに裏付けられた新たな理論に基づくものです。それによれば、純粋な炭素の二次元形態であるグラフェンのシートに、レーザー光線の光子が当たると、表面波であるプラズモンを発生させることができます。さらに、そのプラズモンを誘起して、赤外光からX線までの任意の波長に調整された鋭いパルス状の放射を発生させることができる可能性があります。
さらに、このシステムが生成する放射線は波長が均一で、きわめて整然と揃っており、レーザー光線から得られるものに似ています。研究チームによれば、これにより将来的に低線量のX線システムが実現可能となり、より安全性が高まる可能性があります。今回の成果は今週、学術誌 Nature Photonicsに掲載されました。論文の著者は、MITのMarin Soljačić教授およびJohn Joannopoulos教授、ポスドク研究員のIdo KaminerとOgnjen Ilic、そしてSingapore Institute of Manufacturing TechnologyのLiang Jie Wongです。
Soljačić氏は、光源を生成する新たな方法への関心が高まっていると述べています。特に、マイクロチップに組み込める規模のもの、あるいは基礎科学や生物医学研究に用いられる高強度ビームの大きさとコストを削減できるものへの関心です。応用に一般的に用いられる電磁放射の全波長のうち、「コヒーレントX線は特に作り出すのが難しい」と同氏は述べています。また、X線は最も高いエネルギーを持っています。この新システムは、原理的には、チップ上の紫外線光源や卓上型のX線装置を生み出すことができ、現在では数百万ドル規模の巨大な粒子加速器を必要とするようなビームを生成できる可能性があります。
強力で焦点を絞ったX線ビームを作るための「通常の手法は、[加速器を用いて]高エネルギーの荷電粒子を生成し、それらを『揺さぶる』ことです」とKaminer氏は述べています。「その振動によってX線が生じます。しかし、その手法は非常に高価であり」、全国で利用可能でそうしたビームを生成できる数少ない施設は、利用希望が殺到しています。「研究コミュニティの夢は、それらを小型で安価にすることです」と同氏は述べています。
X線源のほとんどは、生成が困難な極めて高エネルギーの電子に依存しています。しかし、この新しい手法はその必要を回避します。特別なパターンを施したグラフェンのシートにレーザー光線の光子が当たった際に生じる、波状のプラズモンが持つ高度に閉じ込められたパワーを利用するのです。これらのプラズモンは、電子顕微鏡に見られるものと同様の従来型の電子銃からのパルスによって誘起されると、そのエネルギーを細く集束されたX線ビームとして放出することができます。
「これが特異な理由は、電子を加速する問題を実質的に回避している点です」と同氏は述べています。「他のあらゆる手法は電子を加速させます。これは低エネルギーの電子からX線を生成するという点で独自です。」
加えて、このシステムは波長の調整能力において独自性を持ちます。単一波長の光ビームを、赤外線から可視光、紫外線を経て、X線に至るまで供給することが可能です。さらにKaminer氏によれば、出力の調整を制御するために用いられる入力は3つあります。すなわち、プラズモンを誘起するレーザー光線の周波数、トリガーとなる電子ビームのエネルギー、そしてグラフェンシートの「ドーピング」です。
研究チームによれば、そのようなビームは結晶構造解析に応用できる可能性があります。結晶構造解析は、多くの科学分野で分子の正確な原子構造を決定するために用いられています。また、ビームが細く絞られているため、このシステムは医療用および歯科用X線撮影の照準をより精密にし、それによって患者が受ける放射線量を減らせる可能性がある、とも述べています。
現時点では、この研究は精密なシミュレーションに基づく理論的なものです。しかし、同グループのこれまでのシミュレーションは実験結果とよく一致する傾向があった、とSoljačić氏は述べています。「当分野には、これらの現象を非常に正確にモデル化する能力があります。」
現在、同チームはシステムを実験室で検証するための装置の構築に取り組んでいます。当初は紫外線源の生成から始め、より高エネルギーのX線へと段階的に進める計画です。「原理の確かな確認を1年以内に得たいと考えており、順調に進めば、楽観的には3年以内にX線でも確認したいと考えています」とSoljačić氏は述べています。
しかし、あらゆる抜本的に新しい技術と同様に、「悪魔は細部に宿る」ものであり、予期しない問題が生じる可能性もあると同氏は認めています。そのため、この成果から実用的なX線装置が登場する時期について、同氏は笑みを浮かべながら、「3年後から、決して実現しないまで」と見積もっています。
本研究には関与していない、クロアチアのザグレブ大学の物理学教授Hrvoje Buljan氏は、この研究が「X線放射を生み出すための重要な新しいアプローチ」をもたらすと述べています。同氏はさらに、「実験的な実装はまだ行われる必要があります。提案に基づけば、原理実証実験に必要な要素はすべて揃っており、そのような実験は実現可能でしょう」と付け加えています。
本研究は、U.S. Army Research LaboratoryおよびU.S. Army Research Officeが、Institute for Soldier Nanotechnologiesを通じて支援し、また、Science and Engineering Research Council、A*STAR（シンガポール）、そして欧州研究会議（European Research Council）のMarie Curie IOF助成金によっても支援されました。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：David L. Chandlerは、MIT Newsに寄稿しています。
画像：臨床責任者であるAl Story医師が、結核（TB）に感染した肺の一対を示すX線写真を指し示しています。REUTERS/Luke MacGregor
