Un accélérateur de particules de 0,5 millimètres qui pourrait changer la médecine

Les accélérateurs de particules sont des outils essentiels dans de nombreux domaines, allant de l’industrie à la recherche en passant par le secteur médical. Ces machines nécessitent un espace considérable, allant de quelques mètres carrés à de grands centres de recherche.

L’utilisation de lasers pour accélérer les électrons au sein d’une nanostructure photonique offre une alternative microscopique avec le potentiel de générer des coûts nettement inférieurs et de rendre les dispositifs considérablement moins encombrants.

Jusqu’à présent, aucun gain d’énergie substantiel n’a été démontré. En d’autres termes, il n’a pas été prouvé que les électrons ont réellement augmenté de vitesse de manière significative.

Une équipe de physiciens laser de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU) a réussi à démontrer le premier accélérateur d’électrons nanophotonique – en même temps que des collègues de l’Université Stanford.

Accélérateurs de particules : une révolution en cours

Quand on entend «accélérateur de particules», la plupart des gens pensent probablement au Grand Collisionneur de Hadrons à Genève, ce tunnel en forme d’anneau d’environ 27 kilomètres de long où des chercheurs du monde entier mènent des recherches sur des particules élémentaires inconnues. De tels accélérateurs de particules géants sont l’exception.

Nous sommes plus susceptibles de les rencontrer dans d’autres endroits de notre vie quotidienne, par exemple dans les procédures d’imagerie médicale ou lors de la radiothérapie pour traiter les tumeurs. Même dans ce cas, cependant, les dispositifs sont de plusieurs mètres de taille et encore plutôt encombrants, avec une marge d’amélioration en termes de performance.

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 millimètres de longueur, et le canal par lequel les électrons sont accélérés n’a que 225 nanomètres de large, ce qui rend ces accélérateurs aussi petits qu’une puce informatique. Les particules sont accélérées par des impulsions laser ultra-courtes éclairant les nanostructures.

Vers une application médicale

«L’application de rêve serait de placer un accélérateur de particules sur un endoscope afin de pouvoir administrer directement la radiothérapie à la zone affectée à l’intérieur du corps», explique le Dr Tomáš Chlouba, l’un des quatre principaux auteurs de l’article récemment publié.

Ce rêve peut encore être loin de la portée de l’équipe de la FAU de la Chaire de Physique Laser dirigée par le Prof. Dr. Peter Hommelhoff mais ils ont maintenant réussi à faire un pas décisif dans la bonne direction en démontrant l’accélérateur d’électrons nanophotonique.

Guider les électrons + accélération = accélérateur de particules.

« Pour la première fois, nous pouvons vraiment parler d’un accélérateur de particules sur une puce », s’enthousiasme le Dr Roy Shiloh.

Il y a un peu plus de deux ans, l’équipe a fait sa première grande percée : 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. C’était la première étape majeure vers la construction d’un accélérateur de particules. Maintenant, tout ce qu’il fallait pour gagner de grandes quantités d’énergie était l’accélération.

« En utilisant cette technique, nous avons maintenant réussi non seulement à guider les électrons mais aussi à les accélérer dans ces structures nano-fabriquées sur une longueur de demi-millimètre », précise Stefanie Kraus. Bien que cela puisse ne pas sembler être un grand exploit pour beaucoup, c’est un énorme succès pour le domaine de la physique des accélérateurs. « Nous avons gagné une énergie de 12 kiloélectronvolts. C’est un gain d’énergie de 43% », ajoute Leon Brückner.

Pour accélérer les particules sur de telles grandes distances (à l’échelle nano), 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 que le début. L’objectif est maintenant d’augmenter le gain en énergie et le courant d’électrons à un tel point que l’accélérateur de particules sur une puce soit suffisant pour des applications en médecine.

Pour cela, le gain en énergie devrait être augmenté d’un facteur d’environ 100.

« Pour obtenir des courants d’électrons plus élevés à des énergies plus élevées à la sortie de la structure, nous devrons étendre les structures ou placer plusieurs canaux les uns à côté des autres », conclut Tomáš Chlouba les prochaines étapes des physiciens laser de la FAU.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un accélérateur de particules ?

Un accélérateur de particules est un dispositif qui utilise des champs électromagnétiques pour propulser des particules chargées à des vitesses élevées et pour contenir ces particules dans des faisceaux bien définis.

Qu’est-ce qu’un accélérateur nanophotonique ?

Un accélérateur nanophotonique est un type d’accélérateur de particules qui utilise des lasers pour accélérer les électrons au sein d’une nanostructure photonique. Ces accélérateurs sont microscopiques et ont le potentiel de générer des coûts nettement inférieurs et de rendre les dispositifs considérablement moins encombrants.

Qu’est-ce que l’accélération laser diélectrique ?

L’accélération laser diélectrique est une technique utilisée pour accélérer les particules. Les structures utilisées pour cette technique ne mesurent que 0,5 millimètres de longueur, et le canal par lequel les électrons sont accélérés n’a que 225 nanomètres de large.

Qu’est-ce que la méthode de focalisation en phase alternée (APF) ?

La méthode de focalisation en phase alternée (APF) est une technique utilisée pour contrôler le flux d’électrons dans un canal à vide sur de longues distances. Cette méthode a été utilisée pour construire un accélérateur de particules.

Quel est l’objectif de l’accélérateur de particules sur une puce ?

L’objectif est d’augmenter le gain en énergie et le courant d’électrons à un tel point que l’accélérateur de particules sur une puce soit suffisant pour des applications en médecine. Pour cela, le gain en énergie devrait être augmenté d’un facteur d’environ 100.

Publication originale de la FAU : T. Chlouba, R. Shiloh, S. Kraus, L. Brückner, J. Litzel et P. Hommelhoff, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06602-7. DOI: 10.1038/s41586-023-06602-7

Légende illustration principale : Pour la première fois, des chercheurs de la FAU ont réussi à accélérer de manière mesurable des électrons dans des structures de quelques nanomètres seulement. Sur l’image, vous pouvez voir la micropuce avec les structures et, en comparaison, une pièce de 1 centime d’euro. (Image : FAU/Julian Litzel)