Les ingénieurs électriciens du groupe de physique des accélérateurs de la TU Darmstadt ont développé une conception pour un accélérateur d'électrons à laser si petit qu'il pourrait être produit sur une puce de silicium. Ce serait peu coûteux et avec de multiples applications. La conception, qui a été publié dans Lettres d'examen physique , est maintenant réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale.

Les accélérateurs de particules sont généralement volumineux et coûteux, mais cela changera bientôt si les chercheurs réussissent. Le programme international Accelerator on a Chip (AChIP), financé par la Gordon and Betty Moore Foundation aux États-Unis, vise à créer un accélérateur d'électrons sur une puce de silicium. L'idée de base est de remplacer les pièces d'accélérateur en métal par du verre ou du silicium, et d'utiliser un laser au lieu d'un générateur de micro-ondes comme source d'énergie. En raison de la capacité de charge de champ électrique plus élevée du verre, le taux d'accélération peut être augmenté et ainsi la même quantité d'énergie peut être transmise aux particules dans un espace plus court, rendant l'accélérateur plus court d'un facteur 10 environ que les accélérateurs traditionnels délivrant la même énergie.

L'un des défis ici est que le canal de vide pour les électrons sur une puce doit être très petit, ce qui nécessite que le faisceau d'électrons soit extrêmement focalisé. Les canaux de focalisation magnétique utilisés dans les accélérateurs conventionnels sont beaucoup trop faibles pour cela. Cela signifie qu'une méthode de focalisation entièrement nouvelle doit être développée si l'accélérateur sur une puce doit devenir réalité.

Dans le cadre du domaine de profil Matter and Radiation Science de la TU Darmstadt, le groupe AChIP en physique des accélérateurs (Faculté de Génie Electrique et Technologies de l'Information de la TU Darmstadt), dirigé par le scientifique junior Dr. Uwe Niedermayer, a récemment proposé une solution décisive qui consiste à utiliser les champs laser eux-mêmes pour focaliser les électrons dans un canal de seulement 420 nanomètres de large. Le concept est basé sur des changements brusques de la phase des électrons par rapport au laser, résultant en une focalisation et une défocalisation alternées dans les deux directions dans le plan de la surface de la puce. Cela crée une stabilité dans les deux sens. Le concept peut être comparé à une balle sur une selle – la balle tombera, quelle que soit la direction dans laquelle la selle s'incline. Cependant, tourner la selle en continu signifie que la balle restera stable sur la selle. Les électrons dans le canal de la puce font de même.

Perpendiculairement à la surface de la puce, une focalisation plus faible est suffisante, et un seul aimant quadripolaire englobant toute la puce peut être utilisé. Ce concept est similaire à celui d'un accélérateur linéaire classique. Cependant, pour un accélérateur sur puce, la dynamique des électrons a été modifiée pour créer une conception bidimensionnelle qui peut être réalisée en utilisant des techniques lithographiques de l'industrie des semi-conducteurs.

Niedermayer est actuellement chercheur invité à l'Université de Stanford; l'université américaine dirige le programme AChIP avec l'université d'Erlangen en Allemagne. A Stanford, il collabore avec d'autres scientifiques de l'AChIP dans le but de créer un accélérateur sur puce dans une chambre expérimentale de la taille d'une boîte à chaussures. Un système disponible dans le commerce, adapté au moyen d'une optique non linéaire compliquée, est utilisé comme source laser. L'objectif du programme AChIP, qui dispose d'un financement jusqu'en 2020, est de produire des électrons avec un méga-électron-volt d'énergie à partir de la puce. Ceci est approximativement égal à la tension électrique d'un million de batteries. Un objectif supplémentaire est de créer des ultra-courts ( <10 ^-15 secondes) impulsions électroniques, comme l'exige la conception d'un accélérateur évolutif sur une puce développée à Darmstadt.

Applications dans l'industrie et la médecine

Les applications possibles d'un tel accélérateur seraient dans l'industrie et la médecine. Un objectif important à long terme est de créer une source de faisceaux de rayons X cohérente et compacte pour la caractérisation des matériaux. Un exemple d'application médicale serait un accélérateur-endoscope qui pourrait être utilisé pour irradier des tumeurs profondément dans le corps avec des électrons.

Un avantage particulier de cette nouvelle technologie d'accélérateur est que les puces pourraient être produites à peu de frais en grand nombre, ce qui signifierait que l'accélérateur serait à la portée de l'homme de la rue et que chaque université pourrait se permettre son propre laboratoire d'accélérateur. Des opportunités supplémentaires incluraient l'utilisation de sources de faisceaux de rayons X cohérents peu coûteux dans les processus photolithographiques dans l'industrie des semi-conducteurs, ce qui rendrait possible une réduction de la taille des transistors dans les processeurs informatiques, avec une plus grande densité d'intégration.