Les chercheurs de Stanford se rapprochent de la construction d'un minuscule accélérateur d'électrons basé sur la technologie « accélérateur sur puce » avec de larges applications potentielles dans l'étude de la physique ainsi que dans les utilisations médicales et industrielles.
Les chercheurs ont démontré qu’un accélérateur laser diélectrique au silicium, ou DLA, peut désormais à la fois accélérer et confiner les électrons, créant ainsi un faisceau focalisé d’électrons de haute énergie. "Si les électrons étaient des voitures microscopiques, c'est comme si, pour la première fois, nous dirigeions et avions le pied sur l'accélérateur", a déclaré Payton Broaddus, Ph.D. '23 en génie électrique et auteur principal d'un article publié dans Physical Review Letters le 23 février détaillant la percée.
Les accélérateurs produisent des faisceaux de particules à haute énergie qui permettent aux physiciens d'étudier les propriétés des matériaux, de produire des sondes ciblées pour des applications médicales et d'identifier les éléments constitutifs élémentaires qui composent toute la matière de l'univers. Certains des premiers accélérateurs de particules à haute énergie, développés dans les années 1930, pourraient tenir sur une table.
Mais des énergies de particules plus élevées étaient nécessaires pour étudier une physique plus avancée, les scientifiques devaient donc construire des systèmes plus grands. (Mise en service en 1966, le tunnel de l'accélérateur linéaire d'origine du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC sur le campus de Stanford mesure près de 3 km de long.)
Bien que ces systèmes aient rendu possibles de nombreuses découvertes en physique des particules, Broaddus est motivé à construire un minuscule accélérateur linéaire qui pourrait à terme rivaliser avec les capacités de machines plus de mille fois sa taille, pour une fraction du coût.
Cela permettrait également de nouvelles applications en médecine, comme la possibilité de fixer ce dispositif à une petite sonde et de tirer avec précision un faisceau d'électrons sur une tumeur. "Il est possible de remplacer complètement tous les autres accélérateurs de particules par quelque chose de moins cher et plus petit", a-t-il déclaré.
Grâce aux progrès de la fabrication à l'échelle nanométrique et des lasers, cette vision est de plus en plus possible, a déclaré Olav Solgaard, directeur du laboratoire Edward L. Ginzton et du professeur Robert L. et Audrey S. Hancock à la School of Engineering et auteur principal de l'étude. le papier.
Les accélérateurs radiofréquences traditionnels sont constitués de cavités en cuivre pompées avec des ondes radio, qui donnent un regain d’énergie aux particules. Ces impulsions peuvent chauffer le métal, de sorte que les cavités doivent fonctionner à une énergie et à des fréquences d'impulsion inférieures pour dissiper la chaleur et éviter de fondre.
Mais les structures en verre et en silicium peuvent gérer des impulsions d’énergie beaucoup plus élevées provenant des lasers sans chauffer, elles peuvent donc être beaucoup plus puissantes tout en étant plus petites. Il y a environ 10 ans, des chercheurs de Stanford ont commencé à expérimenter des structures nanométriques constituées de ces matériaux.
En 2013, une équipe dirigée par le co-auteur de l'article, Robert Byer, professeur émérite William R. Kenan, Jr., a démontré qu'un minuscule accélérateur en verre doté d'une lumière infrarouge pulsée avait réussi à accélérer les électrons. Ces résultats ont conduit à l'adoption du projet par la Fondation Gordon et Betty Moore dans le cadre de la collaboration internationale Accelerator on a Chip (ACHIP) pour produire un accélérateur méga-électron-volt de la taille d'une boîte à chaussures.
Mais ce premier « accélérateur sur puce » avait encore quelques problèmes à résoudre. Comme le dit Broaddus, les électrons à l’intérieur étaient comme des voitures sur une route étroite sans volant. Ils pourraient accélérer très rapidement mais tout aussi facilement s'écraser contre un mur.
Aujourd’hui, cette équipe de chercheurs de Stanford a démontré avec succès qu’ils peuvent également diriger des électrons à l’échelle nanométrique. Pour ce faire, ils ont construit une structure en silicium avec un canal submicronique placé dans un système sous vide. Ils ont injecté des électrons à une extrémité et ont éclairé la structure des deux côtés avec une impulsion laser façonnée qui délivrait des coups d’énergie cinétique. Périodiquement, les champs laser alternaient entre les propriétés de focalisation et de défocalisation, ce qui regroupait les électrons, les empêchant de dévier de leur trajectoire.
Au total, cette chaîne d’accélération, de défocalisation et de focalisation a agi sur les électrons sur une distance de près d’un millimètre. Cela peut sembler peu, mais ces particules chargées ont eu un véritable coup de fouet, gagnant 23,7 kilo-électrons-volts d'énergie, soit environ 25 % de plus que leur énergie de départ. Le taux d'accélération que l'équipe a pu atteindre dans son prototype de petit accélérateur est comparable à celui des accélérateurs en cuivre conventionnels, et Broaddus ajoute que des taux d'accélération beaucoup plus élevés sont possibles.
Bien qu’il s’agisse d’un pas en avant important, il reste encore beaucoup à faire avant que ces petits accélérateurs puissent être utilisés dans l’industrie, la médecine et la recherche. Jusqu’à présent, la capacité de l’équipe à diriger les électrons s’est limitée à deux dimensions :Un confinement tridimensionnel des électrons sera nécessaire pour permettre à l'accélérateur d'être suffisamment long pour permettre des gains d'énergie plus importants.
Un groupe de recherche partenaire de l'Université Friedrich Alexander (FAU) d'Erlangen, en Allemagne, a récemment démontré un dispositif similaire doté d'un seul laser et démarrant à une énergie de démarrage beaucoup plus faible. Celui-ci et le dispositif de Stanford feront finalement partie d'une sorte de course à relais électronique, a déclaré Broaddus.
Ce futur relais aurait trois coéquipiers :le dispositif FAU prendrait des électrons de faible énergie et leur donnerait un premier coup de pied, puis ils pourraient ensuite être introduits dans un dispositif similaire à celui que Broaddus développe. La dernière étape pour les électrons serait un accélérateur en verre, comme celui développé par Byer. Le verre peut résister à des coups laser encore plus intenses que le silicium, permettant à l'accélérateur d'alimenter davantage et de pousser les électrons vers la vitesse de la lumière.
À terme, Solgaard pense qu'un si petit accélérateur sera utile en physique des hautes énergies, explorant la matière fondamentale qui constitue l'univers tout comme le font ses homologues plus grands. "Nous avons un très, très long chemin à parcourir", a-t-il déclaré. Mais il reste optimiste, ajoutant :"nous avons fait les premiers pas".
Plus d'informations : Payton Broaddus et al, Accélérateurs laser diélectriques à focalisation de phase alternée subrelativiste, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.085001
Fourni par l'Université de Stanford
