Le Grand collisionneur de hadrons au CERN en Suisse, le plus grand accélérateur du monde, a une circonférence d'environ 26 kilomètres. Chercheurs de la Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Allemagne, tentent d'aller à l'autre extrême en construisant le plus petit accélérateur du monde, celui qui tient sur une puce électronique. L'équipe de recherche a maintenant franchi une nouvelle étape vers la réalisation de cette ambition.

L'idée fondamentale est de permettre aux scientifiques d'utiliser des faisceaux laser pour accélérer les électrons. Ce qui semble trompeusement simple en théorie soulève toute une série de défis en pratique, s'étendant à divers domaines de la physique. Par exemple, les scientifiques doivent pouvoir contrôler l'oscillation de la lumière et le mouvement des électrons avec une grande précision afin de s'assurer qu'ils se rencontrent au bon moment.

Une façon d'envisager cela est d'imaginer un navire sur une mer agitée; remonter une vague en toute sécurité et redescendre de l'autre côté, le barreur doit surveiller la vague venant en sens inverse et juger quand elle rencontrera le navire. Il est également crucial pour l'équipe de scientifiques de la FAU de déterminer quand et où la crête maximale d'une onde lumineuse frappera un paquet d'électrons afin qu'ils puissent influencer le résultat à un degré très spécifique. Cela signifie qu'ils doivent permettre à la lumière et aux électrons de coïncider en « attosecondes », c'est-à-dire un milliardième de milliardième de seconde.

Dans une première passionnante, c'est exactement ce qu'a réalisé le groupe de recherche dirigé par le Dr Peter Hommelhoff. L'équipe a développé une nouvelle technique impliquant l'intersection de deux faisceaux laser oscillant à des fréquences différentes afin de générer un champ optique dont les chercheurs peuvent influencer les propriétés de manière extrêmement précise. La propriété clé de ce champ optique est qu'il garde le contact avec les électrons, se déplaçant efficacement avec eux - une onde progressive - afin que les électrons puissent détecter en permanence, ou "surfer, ' le champ optique. De cette façon, le champ optique transmet exactement ses propriétés aux particules.

Non seulement ce processus amène les particules à refléter avec précision la structure du champ, il les accélère également à un degré étonnamment élevé. Cet effet est crucial pour l'accélérateur de particules miniature, en ce qui concerne la quantité d'énergie pouvant être transférée aux électrons et sur quelle distance. Le gradient d'accélération, qui indique le gain d'énergie électronique maximal mesuré en fonction de la distance parcourue, atteint la valeur extrêmement élevée de 2,2 giga-électron-volts par mètre, beaucoup plus élevé que celui atteint par les accélérateurs conventionnels. Cependant, la distance d'accélération de seulement 0,01 millimètre actuellement disponible pour l'équipe de recherche d'Erlangen n'est pas suffisante pour générer l'énergie nécessaire aux applications pratiques. "Malgré cela, pour les accélérateurs de particules en médecine, nous n'aurions besoin que d'une infime longueur d'accélération de moins d'un millimètre, " explique le Dr Martin Kozák, qui a réalisé l'expérience en laboratoire.

Le chef de projet, le professeur Dr. Peter Hommelhoff de la FAU, considère la miniaturisation des accélérateurs comme une révolution technique analogue à la miniaturisation des ordinateurs. "Cette approche nous permettra, espérons-le, de rendre cette technique innovante d'accélération de particules utilisable dans une gamme de domaines de recherche et de domaines d'application tels que la science des matériaux, biologie et médecine - un exemple pourrait être les thérapies par particules pour les patients atteints de cancer. »