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Aujourd’hui, les accélérateurs de particules sont des instruments indispensables à la recherche, explorant des domaines allant de la cosmologie à la médecine, en passant par la résistance des matériaux. Cependant, ces instruments ont souvent des proportions gigantesques et sont donc limités par leur taille. Récemment, des chercheurs de l’université de Stanford sont parvenus à miniaturiser un accélérateur d’électrons et à l’intégrer sur une puce électronique. Bien qu’il ne soit encore qu’à un stade très précoce de développement, l’appareil pourrait dans le futur aider à sonder la matière de manière plus précise, et également à lutter contre le cancer.

Sur une colline au-dessus de l’Université de Stanford, le SLAC National Accelerator Laboratory exploite un instrument scientifique de près de 3 km de long. Dans cet accélérateur géant, un flux d’électrons traverse un tuyau à vide, tandis que des impulsions de rayonnement micro-ondes poussent les particules de plus en plus rapidement vers l’avant jusqu’à ce que leur vitesse s’approche de la vitesse de la lumière, créant un faisceau puissant que les scientifiques du monde entier utilisent pour sonder la structures atomiques et moléculaires des matériaux inorganiques et biologiques.

Maintenant, pour la première fois, les scientifiques de Stanford et du SLAC ont créé une puce de silicium qui peut accélérer les électrons en utilisant un laser infrarouge. Dans un article publié dans la revue Science, une équipe dirigée par l’ingénieure Jelena Vuckovic explique comment ils ont sculpté un canal en silicium à l’échelle nanométrique, l’ont scellé sous vide et ont envoyé des électrons à travers cette cavité pendant que des impulsions de lumière infrarouge ont été transmises par les parois du canal pour accélérer les électrons.

Un accélérateur miniaturisé aux nombreuses applications potentielles

L’accélérateur sur puce n’est qu’un prototype, mais Vuckovic déclare 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, en science des matériaux et en biologie, qui ne présentent pas le besoin de puissance d’un accélérateur massif.

La technologie de l’accélérateur sur puce pourrait également conduire à de nouvelles thérapies de radiothérapie contre le cancer, selon le physicien Robert Byer. Aujourd’hui, les appareils à rayons X médicaux remplissent une pièce et émettent un faisceau de rayonnement difficile à focaliser sur les tumeurs, obligeant les patients à porter des écrans de 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 inchangés » explique Byer, qui dirige l’accélérateur sur un modèle de puce issu d’un programme international, ou ACHIP, un effort plus large dont cette recherche actuelle fait partie.

Un laser infrarouge plutôt que des micro-ondes pour accélérer les électrons

Dans leur article, Vuckovic et Neil Sapra expliquent comment l’équipe a construit une puce qui déclenche des impulsions de lumière infrarouge à travers le silicium pour frapper les électrons au bon moment et juste au bon angle pour leur conférer un boost de vitesse. Pour ce faire, ils ont bouleversé le processus de conception. Dans un accélérateur traditionnel, comme celui de SLAC, les ingénieurs développement généralement une conception de base, puis exécutent des simulations pour organiser physiquement les impulsions micro-ondes afin de fournir la plus grande accélération possible.

protocole accelerateur

Schéma du dispositif utilisé par les chercheurs pour créer l’accélérateur d’électrons miniaturisé. Crédits : Neil V. Sapra et al. 2019

Mais les micro-ondes mesurent en moyenne 10 cm du sommet au creux, tandis que la lumière infrarouge a une longueur d’onde inférieure la largeur d’un cheveu humain (750 nm–0.1 mm). 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 100’000 fois plus petites que les structures en cuivre d’un accélérateur traditionnel, ce qui nécessite une nouvelle approche de l’ingénierie basée sur la photonique et la lithographie intégrées au silicium.

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

Une puissance cible de 1 MeV pour des électrons accélérés à 94% de la vitesse de la lumière

Les chercheurs veulent accélérer les électrons à 94% de la vitesse de la lumière, soit 1 million d’électrons volts (1 MeV), pour créer un flux de particules suffisamment puissant pour la recherche ou à des fins médicales. Cette puce prototype ne fournit qu’une seule étape d’accélération, et le flux d’électrons devrait passer par environ 1000 de ces étapes pour atteindre 1 MeV. Mais ce prototype d’accélérateur sur puce est un circuit entièrement intégré.

sem microscope

Observation au microscope à balayage électronique d’une des piles d’accélération des électrons. Crédits : Neil V. Sapra et al. 2019

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 relativement simple. Les chercheurs prévoient d’emballer milles étapes d’accélération dans environ 2.5 cm d’espace de puce d’ici la fin de 2020, pour atteindre leur objectif de 1 MeV.

Accélérateur miniaturisé et lutte contre le cancer

Bien que ce soit 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 supérieurs à 1 MeV. Mais Byer estime que, tout comme les transistors ont fini par remplacer les tubes à vide dans l’électronique, les appareils à base de lumière remettront un jour en cause les capacités des accélérateurs à micro-ondes.

Parallèlement, en prévision du développement d’un accélérateur de 1 MeV sur une puce, l’ingénieur électricien Olav Solgaard a déjà commencé à travailler sur une éventuelle application de lutte contre le cancer.

Aujourd’hui, les électrons énergétiques ne sont pas utilisés pour la radiothérapie car ils brûleraient la peau. Solgaard travaille sur un moyen de canaliser les électrons de haute énergie d’un accélérateur de la taille d’une puce à travers un tube à vide de type cathéter, qui pourrait être inséré sous la peau, juste à côté d’une tumeur, en utilisant le faisceau de particules pour administrer la radiothérapie chirurgicalement.

Sources : Science

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