Les scientifiques du SLAC et de Stanford ont utilisé des puces nanofabriquées en silice fondue de seulement trois millimètres de long pour accélérer les électrons à un taux 10 fois supérieur à celui de la technologie conventionnelle des accélérateurs de particules. Crédit :Matt Beardsley, Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Dans une avancée qui pourrait considérablement réduire les accélérateurs de particules pour la science et la médecine, les chercheurs ont utilisé un laser pour accélérer les électrons à un taux 10 fois supérieur à la technologie conventionnelle dans une puce de verre nanostructurée plus petite qu'un grain de riz.
La réalisation a été signalée aujourd'hui dans La nature par une équipe comprenant des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Stanford.
"Nous avons encore un certain nombre de défis avant que cette technologie ne devienne pratique pour une utilisation dans le monde réel, mais à terme, cela réduirait considérablement la taille et le coût des futurs collisionneurs de particules à haute énergie pour explorer le monde des particules et des forces fondamentales, " dit Joel England, le physicien du SLAC qui a dirigé les expériences. « Cela pourrait également aider à activer des accélérateurs compacts et des appareils à rayons X pour l'analyse de sécurité, la thérapie médicale et l'imagerie, et la recherche en biologie et science des matériaux.
Parce qu'il utilise des lasers commerciaux et à faible coût, techniques de production en série, les chercheurs pensent que cela ouvrira la voie à de nouvelles générations d'accélérateurs "de table".
À son plein potentiel, le nouvel "accélérateur sur puce" pourrait égaler la puissance d'accélération de l'accélérateur linéaire de 3 km du SLAC en seulement 100 pieds, et délivre un million d'impulsions d'électrons supplémentaires par seconde.
La clé des puces d'accélérateur est minuscule, crêtes espacées avec précision, qui provoquent l'irisation vue sur cette photo en gros plan. Crédit :Matt Beardsley, Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Cette première démonstration a permis d'obtenir un gradient d'accélération, ou quantité d'énergie gagnée par longueur, de 300 millions d'électronvolts par mètre. C'est environ 10 fois l'accélération fournie par l'accélérateur linéaire SLAC actuel.
"Notre objectif ultime pour cette structure est de 1 milliard d'électronvolts par mètre, et nous sommes déjà au tiers du chemin de notre première expérience, " a déclaré le professeur de Stanford Robert Byer, le chercheur principal de cette recherche.
Les accélérateurs d'aujourd'hui utilisent des micro-ondes pour augmenter l'énergie des électrons. Les chercheurs ont cherché des alternatives plus économiques, et cette nouvelle technique, qui utilise des lasers ultrarapides pour piloter l'accélérateur, est un candidat de premier plan.
Les particules sont généralement accélérées en deux étapes. D'abord, ils sont poussés à presque la vitesse de la lumière. Ensuite, toute accélération supplémentaire augmente leur énergie, mais pas leur vitesse; c'est la partie difficile.
Dans les expériences d'accélérateur sur puce, les électrons sont d'abord accélérés à une vitesse proche de la lumière dans un accélérateur conventionnel. Ensuite, ils sont concentrés dans un minuscule, canal d'une hauteur d'un demi-micron dans une puce en verre de silice fondue d'un demi-millimètre de long. Le canal avait été modelé avec des crêtes à l'échelle nanométrique précisément espacées. La lumière laser infrarouge qui brille sur le motif génère des champs électriques qui interagissent avec les électrons dans le canal pour augmenter leur énergie. (Voir l'animation qui l'accompagne pour plus de détails.)
