Sur une colline au-dessus de l'Université de Stanford, le SLAC National Accelerator Laboratory exploite un instrument scientifique de près de 2 miles de long. Dans cet accélérateur géant, un flux d'électrons circule dans un tuyau à vide, alors que des rafales de rayonnement micro-ondes poussent les particules de plus en plus rapidement vers l'avant jusqu'à ce que leur vitesse approche la vitesse de la lumière, créant un faisceau puissant que les scientifiques du monde entier utilisent pour sonder les structures atomiques et moléculaires des matériaux inorganiques et biologiques.

Maintenant, pour la première fois, des scientifiques de Stanford et du SLAC ont créé une puce en silicium qui peut accélérer les électrons, bien qu'à une fraction de la vitesse de cet instrument massif, en utilisant un laser infrarouge pour fournir, en moins d'un cheveu, le genre d'augmentation d'énergie qui prend des micro-ondes de plusieurs mètres.

Écrivant dans le numéro du 3 janvier de Science , une équipe dirigée par l'ingénieur électricien Jelena Vuckovic a expliqué comment ils ont sculpté un canal à l'échelle nanométrique dans du silicium, l'a scellé sous vide et envoyé des électrons à travers cette cavité tandis que des impulsions de lumière infrarouge - à laquelle le silicium est aussi transparent que le verre l'est à la lumière visible - ont été transmises par les parois des canaux pour accélérer les électrons.

L'accélérateur sur puce présenté en Science n'est qu'un prototype, mais Vuckovic a déclaré que ses techniques de conception et de fabrication peuvent être étendues pour fournir des faisceaux de particules suffisamment accélérés pour effectuer des expériences de pointe en chimie, la science des matériaux et la découverte biologique qui ne nécessitent pas la puissance d'un accélérateur massif.

"Les plus grands accélérateurs sont comme de puissants télescopes. Il n'y en a que quelques-uns dans le monde et les scientifiques doivent venir dans des endroits comme le SLAC pour les utiliser, " a déclaré Vuckovic. " Nous voulons miniaturiser la technologie des accélérateurs de manière à en faire un outil de recherche plus accessible. "

Les membres de l'équipe comparent leur approche à la façon dont l'informatique a évolué du mainframe au PC plus petit mais toujours utile. La technologie des accélérateurs sur puce pourrait également conduire à de nouvelles radiothérapies contre le cancer, dit le physicien Robert Byer, un co-auteur de la Science papier. De nouveau, c'est une question de taille. Aujourd'hui, les machines à rayons X médicales remplissent une pièce et délivrent un faisceau de rayonnement difficile à focaliser sur les tumeurs, obligeant les patients à porter des protections en plomb pour minimiser les dommages collatéraux.

"Dans cet article, nous commençons à montrer comment il pourrait être possible de délivrer un rayonnement de faisceau d'électrons directement à une tumeur, laissant les tissus sains intacts, " dit Byer, qui dirige le programme international Accelerator on a Chip, ou ACHIP, un effort plus large dont cette recherche actuelle fait partie.

Conception inversée

Dans leur papier, Vuckovic et l'étudiant diplômé Neil Sapra, le premier auteur, expliquer comment l'équipe a construit une puce qui envoie des impulsions de lumière infrarouge à travers le silicium pour frapper les électrons au bon moment, et juste le bon angle, pour les faire avancer un peu plus vite qu'avant.

Pour y parvenir, ils ont bouleversé le processus de conception. Dans un accélérateur traditionnel, comme celui du SLAC, les ingénieurs rédigent généralement une conception de base, puis exécutez des simulations pour organiser physiquement les rafales de micro-ondes afin de fournir la plus grande accélération possible. Mais les micro-ondes mesurent 4 pouces du sommet au creux, tandis que la lumière infrarouge a une longueur d'onde un dixième de la largeur d'un cheveu humain. Cette différence explique pourquoi la lumière infrarouge peut accélérer les électrons sur de si courtes distances par rapport aux micro-ondes. Mais cela signifie également que les caractéristiques physiques de la puce doivent être de 100, 000 fois plus petites que les structures en cuivre d'un accélérateur traditionnel. Cela exige une nouvelle approche de l'ingénierie basée sur la photonique intégrée au silicium et la lithographie.

L'équipe de Vuckovic a résolu le problème en utilisant des algorithmes de conception inverse que son laboratoire a développés. Ces algorithmes ont permis aux chercheurs de travailler en arrière, en spécifiant la quantité d'énergie lumineuse qu'ils voulaient que la puce fournisse, et charger le logiciel de suggérer comment construire les bonnes structures à l'échelle nanométrique nécessaires pour mettre les photons en contact approprié avec le flux d'électrons.

"Parfois, les conceptions inverses peuvent produire des solutions auxquelles un ingénieur humain n'aurait peut-être pas pensé, " a déclaré R. Joel England, un scientifique du SLAC et co-auteur sur le Science papier.

L'algorithme de conception a proposé une disposition de puce qui semble presque d'un autre monde. Imaginez des mesas à l'échelle nanométrique, séparés par un canal, gravé dans du silicium. Les électrons circulant dans le canal parcourent un gantlet de fils de silicium, piquer à travers la paroi du canyon à des endroits stratégiques. Chaque fois que le laser émet - ce qu'il fait 100, 000 fois par seconde - une rafale de photons frappe un tas d'électrons, en les accélérant vers l'avant. Tout cela se produit en moins d'un cheveu, à la surface d'une puce de silicium scellée sous vide, faites par les membres de l'équipe à Stanford.

Les chercheurs veulent accélérer les électrons à 94% de la vitesse de la lumière, ou 1 million d'électrons-volts (1MeV), pour créer un flux de particules suffisamment puissant pour la recherche ou à des fins médicales. Ce prototype de puce ne fournit qu'une seule étape d'accélération, et le flux d'électrons devrait passer par environ 1, 000 de ces étages pour atteindre 1MeV. Mais ce n'est pas aussi intimidant que cela puisse paraître, dit Vuckovic, parce que ce prototype d'accélérateur sur puce est un circuit entièrement intégré. Cela signifie que toutes les fonctions critiques nécessaires pour créer une accélération sont intégrées directement dans la puce, et l'augmentation de ses capacités devrait être raisonnablement simple.

Les chercheurs prévoient d'emballer un millier d'étapes d'accélération dans environ un pouce d'espace de puce d'ici la fin de 2020 pour atteindre leur objectif de 1 MeV. Même s'il s'agirait d'une étape importante, un tel appareil serait encore pâle en puissance aux côtés des capacités de l'accélérateur de recherche SLAC, qui peut générer des niveaux d'énergie 30, 000 fois supérieur à 1MeV. Mais Byer pense que, tout comme les transistors ont finalement remplacé les tubes à vide dans l'électronique, les dispositifs basés sur la lumière mettront un jour au défi les capacités des accélérateurs à micro-ondes.

Pendant ce temps, en prévision du développement d'un accélérateur de 1MeV sur puce, ingénieur électricien Olav Solgaard, un co-auteur sur le papier, a déjà commencé à travailler sur une éventuelle application contre le cancer. Aujourd'hui, les électrons hautement énergisés ne sont pas utilisés pour la radiothérapie, car ils brûleraient la peau. Solgaard travaille sur un moyen de canaliser les électrons à haute énergie d'un accélérateur de la taille d'une puce à travers un tube à vide en forme de cathéter qui pourrait être inséré sous la peau, juste à côté d'une tumeur, utilisant le faisceau de particules pour administrer une radiothérapie chirurgicalement.

« Nous pouvons tirer des avantages médicaux de la miniaturisation de la technologie des accélérateurs en plus des applications de recherche, " a déclaré Solgaard.