Les accélérateurs de particules sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de l’industrie, de la recherche et du secteur médical. L'espace requis par ces machines va de quelques mètres carrés aux grands centres de recherche. L'utilisation de lasers pour accélérer des électrons au sein d'une nanostructure photonique constitue une alternative microscopique susceptible de générer des coûts nettement inférieurs et de rendre les dispositifs considérablement moins encombrants.
Jusqu’à présent, aucun gain énergétique substantiel n’a été démontré. En d’autres termes, il n’a pas été démontré que la vitesse des électrons ait réellement augmenté de manière significative. Une équipe de physiciens des lasers de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg (FAU) a réussi à démontrer le premier accélérateur d'électrons nanophotonique, en même temps que ses collègues de l'Université de Stanford. Les chercheurs de la FAU ont publié leurs résultats dans la revue Nature .
Lorsque les gens entendent « accélérateur de particules », la plupart penseront probablement au Grand collisionneur de hadrons de Genève, le tunnel en forme d'anneau d'environ 27 kilomètres de long que des chercheurs du monde entier ont utilisé pour mener des recherches sur des particules élémentaires inconnues. Ces énormes accélérateurs de particules constituent cependant l’exception. Nous sommes plus susceptibles de les rencontrer dans d'autres endroits de notre vie quotidienne, par exemple lors de procédures d'imagerie médicale ou lors de radiations pour traiter des tumeurs.
Mais même dans ce cas, les appareils mesurent plusieurs mètres et restent assez encombrants, avec des marges d'amélioration en termes de performances. Dans le but d'améliorer et de réduire la taille des dispositifs existants, des physiciens du monde entier travaillent sur l'accélération laser diélectrique, également connue sous le nom d'accélérateurs nanophotoniques. Les structures qu'ils utilisent ne mesurent que 0,5 millimètre de longueur et le canal à travers lequel les électrons sont accélérés n'a qu'environ 225 nanomètres de largeur, ce qui rend ces accélérateurs aussi petits qu'une puce informatique.
Les particules sont accélérées par des impulsions laser ultracourtes illuminant les nano-structures. "L'application rêvée serait de placer un accélérateur de particules sur un endoscope afin de pouvoir administrer une radiothérapie directement sur la zone affectée du corps", explique le Dr Tomáš Chlouba, l'un des quatre auteurs principaux de l'article récemment publié.
Ce rêve est peut-être encore bien hors de portée de l'équipe FAU de la chaire de physique des lasers dirigée par le professeur Peter Hommelhoff et composée du Dr Tomáš Chlouba, du Dr Roy Shiloh, de Stefanie Kraus, de Leon Brückner et de Julian Litzel, mais ils ont désormais réussi à faire un pas décisif dans la bonne direction en démontrant l'accélérateur d'électrons nanophotonique. "Pour la première fois, nous pouvons réellement parler d'un accélérateur de particules sur une puce", déclare le Dr Roy Shiloh.
Il y a un peu plus de deux ans, l'équipe a réalisé sa première percée majeure :elle a réussi à utiliser la méthode de focalisation en phase alternée (APF) des premiers jours de la théorie de l'accélération pour contrôler le flux d'électrons dans un canal à vide sur de longues distances. Il s’agissait de la première étape majeure vers la construction d’un accélérateur de particules. Désormais, tout ce qu'il fallait pour gagner de grandes quantités d'énergie était une accélération.
"Grâce à cette technique, nous avons réussi non seulement à guider les électrons mais aussi à les accélérer dans ces structures nanofabriquées sur une longueur d'un demi-millimètre", explique Stefanie Kraus. Même si cela ne semble pas être une grande réussite pour beaucoup, il s’agit d’un énorme succès pour le domaine de la physique des accélérateurs. "Nous avons gagné 12 kiloélectronvolts d'énergie. Cela représente un gain d'énergie de 43 pour cent", explique Leon Brückner.
Afin d'accélérer les particules sur de si grandes distances (vues à l'échelle nanométrique), les physiciens de la FAU ont combiné la méthode APF avec des structures géométriques en forme de pilier spécialement développées.
Cette démonstration n’est cependant qu’un début. L’objectif est désormais d’augmenter le gain d’énergie et de courant électronique à tel point que l’accélérateur de particules sur une puce soit suffisant pour des applications en médecine. Pour que ce soit le cas, il faudrait que le gain d'énergie soit multiplié par un facteur d'environ 100.
"Afin d'obtenir des courants électroniques plus élevés et des énergies plus élevées à la sortie de la structure, nous devrons agrandir les structures ou placer plusieurs canaux les uns à côté des autres", explique Tomáš Chlouba les prochaines étapes des physiciens laser de la FAU.
Plus d'informations : Tomáš Chlouba, Accélérateur d'électrons nanophotonique cohérent, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06602-7. www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg
