Les accélérateurs de particules sont des outils essentiels dans des domaines de recherche tels que la biologie, science des matériaux et physique des particules. Les chercheurs sont toujours à la recherche de moyens plus puissants d'accélérer les particules pour améliorer les équipements existants et augmenter les capacités d'expérimentation. L'accélération laser diélectrique (DLA) est l'une de ces technologies puissantes. Dans cette approche, les particules sont accélérées dans le champ proche optique qui est créé lorsque des impulsions laser ultra-courtes sont focalisées sur une structure nanophotonique. En utilisant cette méthode, des chercheurs de la Chaire de physique des lasers de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont réussi à guider des électrons à travers un canal sous vide, un composant essentiel des accélérateurs de particules. La conception de base du canal de nanostructure photonique a été développée par le partenaire de coopération TU Darmstadt. Ils ont maintenant publié leurs conclusions communes dans la revue La nature .

Rester concentré

Comme les particules chargées ont tendance à s'éloigner les unes des autres au fur et à mesure qu'elles se propagent, toutes les technologies d'accélérateur sont confrontées au défi de maintenir les particules dans les limites spatiales et temporelles requises. Par conséquent, les accélérateurs de particules peuvent mesurer jusqu'à dix kilomètres de long, et nécessitent des années de préparation et de construction avant qu'ils ne soient prêts à l'emploi, sans parler des investissements majeurs impliqués. Accélération laser diélectrique, ou DLA, utilise la technologie laser ultra-rapide et les progrès de la production de semi-conducteurs pour potentiellement minimiser ces accélérateurs à seulement quelques millimètres ou centimètres.

Une approche prometteuse :des expériences ont déjà démontré que le DLA dépasse d'au moins 35 fois les technologies actuellement utilisées. Cela signifie que la longueur d'un accélérateur potentiel pourrait être réduite du même facteur. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'était pas clair si ces chiffres pouvaient être augmentés pour des structures de plus en plus longues.

Une équipe de physiciens dirigée par le professeur Peter Hommelhoff de la chaire de physique des lasers de la FAU a fait un grand pas en avant vers l'adaptation du DLA à une utilisation dans des accélérateurs entièrement fonctionnels. Leur travail est le premier à établir un schéma qui peut être utilisé pour guider des impulsions d'électrons sur de longues distances.

La technologie est la clé

Le régime, connue sous le nom de « focalisation en phase alternative » (APF) est une méthode tirée des premiers jours de la théorie des accélérateurs. Une loi fondamentale de la physique signifie que la concentration des particules chargées dans les trois dimensions à la fois—largeur, hauteur et profondeur - est impossible. Cependant, ceci peut être évité en focalisant alternativement les électrons dans différentes dimensions. Tout d'abord, les électrons sont focalisés à l'aide d'un faisceau laser modulé, puis ils « dérivent » à travers un autre court passage où aucune force n'agit sur eux, avant qu'ils ne soient finalement accélérés, ce qui leur permet d'être guidés vers l'avant.

Dans leur expérience, les scientifiques de FAU et TU Darmstadt ont incorporé une colonnade de piliers ovales avec de courts intervalles à intervalles réguliers, ce qui entraîne la répétition des macrocellules. Chaque macrocellule a soit un effet de focalisation ou de défocalisation sur les particules, en fonction du délai entre le laser incident, l'électron, et l'espace qui crée la section dérivante. Cette configuration permet un contrôle précis de l'espace de phase des électrons à l'échelle optique ou ultra-temporelle femto-seconde (une femto-seconde correspond à un millionième de milliardième de seconde). Dans l'expérience, le fait d'éclairer un laser sur la structure montre une augmentation du courant de faisceau à travers la structure. Si un laser n'est pas utilisé, les électrons ne sont pas guidés et s'écrasent progressivement sur les parois du canal. "C'est très excitant, " dit le physicien de la FAU Johannes Illmer, co-auteur de la publication. « A titre de comparaison, le grand collisionneur de hadrons du CERN utilise 23 de ces cellules dans un 2, Courbe de 450 mètres de long. Notre nanostructure utilise cinq cellules à action similaire dans seulement 80 micromètres."

Quand pouvons-nous nous attendre à voir le premier accélérateur DLA ?

« Les résultats sont extrêmement significatifs, mais pour nous, ce n'est vraiment qu'une étape intermédiaire, " explique le Dr Roy Shiloh, « et notre objectif final est clair :nous voulons créer un accélérateur entièrement fonctionnel, sur une micropuce. »

Les travaux dans ce domaine sont menés par la collaboration internationale « accélérateur sur puce » (ACHIP), dont les auteurs sont membres. La collaboration a déjà prouvé que, en théorie, L'APF peut être ajusté pour obtenir une accélération des faisceaux d'électrons. Complexe, des configurations APF tridimensionnelles pourraient donc constituer la base de la technologie des accélérateurs de particules du futur. "Nous devons capturer les électrons dans les trois dimensions si nous voulons pouvoir les accélérer sur de plus longues distances sans aucune perte, " explique le Dr Uwe Niedermayer de la TU Darmstadt, et co-auteur de la publication.