Des chercheurs ont conçu le plus petit accélérateur de particules au monde : il est 54 millions de fois plus petit que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Suisse. Baptisé « accélérateur d’électrons nanophotonique (NEA) », il consiste en une micropuce électronique comprenant un tube d’un demi-millimètre de long et de 225 nanomètres de large. Il tient presque entièrement sur une pièce de 1 centime d’euro. À terme, la technologie pourrait offrir d’importantes perspectives d’application dans le domaine médical et industriel.
Les accélérateurs de particules sont utilisés dans de nombreux domaines, allant de la physique à la médecine en passant par l’industrie. Le LHC, du Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), le plus célèbre et le plus puissant d’entre eux, a par exemple permis d’étudier des particules difficiles à observer telles que le boson de Higgs, les neutrinos fantomatiques et le méson charmé. Ils composent également certains dispositifs d’imagerie médicale et de radiothérapie.
Cependant, leur taille — allant de quelques mètres à plusieurs dizaines de kilomètres — limite considérablement les applications. D’un autre côté, les accélérateurs conventionnels s’appuient sur des ondes radiofréquences et des cavités métalliques pour accélérer les particules chargées. Or, le gradient d’accélération auquel les surfaces métalliques peuvent résister est limité, ce qui implique que le gain d’accélération est généralement de l’ordre de « seulement » quelques dizaines de mégavolts par mètre.
En revanche, les matériaux diélectriques peuvent résister à des champs optiques de plus de 10 gigavolts par mètre. Afin de réduire la taille des accélérateurs tout en améliorant leurs performances, les scientifiques explorent désormais l’accélération laser diélectrique, également connue sous le nom d’accélération nanophotonique. En effet, les structures diélectriques nanophotoniques basées sur les champs optiques, pourraient permettre de réaliser des gradients d’accélération deux fois plus étendus que ceux des accélérateurs à ondes radiofréquences.
Le nouveau dispositif, développé par l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU) en Allemagne, est l’un des deux premiers NEA dont les premiers essais ont été concluants — avec celui de l’Université de Stanford.
L’utilisation d’impulsions laser pour accélérer les électrons au sein d’une nanostructure photonique constitue une alternative nettement moins coûteuse et occupant beaucoup moins d’espace. À terme, la technologie pourrait par exemple être placée au bout d’un endoscope afin d’administrer une radiothérapie (anticancéreuse) directement au niveau de la zone à cibler. Cela permettrait d’en améliorer considérablement l’efficacité tout en réduisant les effets secondaires, en partie dus à la capacité de ciblage limitée des technologies de radiothérapie actuelles.
Un impressionnant gain d’énergie de 43%
Il est important de noter qu’un accélérateur de particules ne consiste pas uniquement à déplacer à grande vitesse des particules, mais également à les confiner de sorte à limiter leur perte. Ce confinement est encore plus important dans les NEA, en raison des dimensions nanométriques du tunnel d’accélération. De la même façon que les accélérateurs à radiofréquence classiques, un champ proche accélère les particules. Cependant, ce champ proche est dans ce cas présent de nature optique. En outre, afin de s’assurer que ce champ est suffisamment puissant pour générer une accélération, la largeur du tunnel doit être d’environ un dixième de la longueur d’onde d’entraînement (de l’anglais « driving wavelength »).
Le NEA du FAU consiste en un minuscule tunnel de 0,5 millimètre de long et 225 nanomètres de large, avec une longueur d’onde d’entraînement de 1,93 micromètre. Pour mettre ces dimensions en perspective, un cheveu humain a une épaisseur de 80 000 à 100 000 nanomètres, tandis que le tunnel du LHC est long de 27 kilomètres. À l’intérieur du microtunnel se trouvent deux rangées de nanopiliers en silicium (de 2 micromètres de haut), pour un total de 733 paires.
Une technique appelée focalisation en phase alternée (APF) a également été utilisée pour accélérer et confiner efficacement les électrons. De cette manière, le flux de particules traversant le tunnel est précisément contrôlé. « 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 dans un communiqué Stefanie Kraus, également coauteure de la nouvelle étude, publiée dans la revue Nature.
Afin de générer un champ proche et accélérer les particules, les nanopiliers sont bombardés par des séries d’impulsions laser de 250 femtosecondes chacune (d’une longueur d’onde de 1,93 micromètre). Parallèlement, le faisceau d’électrons est envoyé au niveau d’un côté de la structure de piliers avec une énergie de départ de 28,4 kiloélectronvolts (keV), afin de le synchroniser avec le champ proche. Lors de leur démonstration, les chercheurs sont parvenus à obtenir un gain d’énergie de 12 keV en passant notamment de 28,4 à 40,7 keV, soit une augmentation d’environ 43%.
Bien qu’impressionnant pour une structure de cette taille, ce gain d’énergie n’est pas encore suffisamment élevé pour une application médicale. Pour cela, il faudrait en effet que ce résultat soit multiplié par 100. Les chercheurs suggèrent que la performance de leur dispositif pourrait être améliorée par le biais de matériaux alternatifs ou de l’accélération à travers plusieurs nanotunnels placés bout à bout.
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