Vers une miniaturisation des accélérateurs de particules

Les chercheurs de l’Université de Stanford progressent dans le développement d’un accélérateur d’électrons de taille réduite, s’appuyant sur la technologie dite « accélérateur sur puce ». Cette innovation ouvre des perspectives considérables dans le domaine de la physique, mais également pour des applications médicales et industrielles.

Leur étude récente révèle que l’accélérateur diélectrique à laser en silicium, ou DLA, est désormais capable d’accélérer les électrons tout en les confinant, générant ainsi un faisceau concentré d’électrons à haute énergie.

Payton Broaddus, doctorant en génie électrique et auteur principal de l’article publié le 23 février dans la revue Physical Review Letters, explique : « Si les électrons étaient des voitures microscopiques, c’est comme si, pour la première fois, nous dirigions et accélérions en même temps. »

De l’accélérateur de plusieurs kilomètres à celui de quelques microns

Les accélérateurs de particules produisent des faisceaux de particules à haute énergie qui permettent aux physiciens d’étudier les propriétés des matériaux, de produire des sondes focalisées pour des applications médicales et d’identifier les blocs élémentaires constituant toute la matière de l’univers. Les premiers accélérateurs de particules à haute énergie, développés dans les années 1930, pouvaient tenir sur une table. Aussi, pour étudier des phénomènes physiques plus avancés, il a été nécessaire de construire des systèmes plus grands. Par exemple, le tunnel de l’accélérateur linéaire original du SLAC National Accelerator Laboratory, mis en service en 1966 sur le campus de Stanford, mesure presque 2 miles de long.

Payton Broaddus est motivé par l’idée de construire un accélérateur linéaire de taille réduite qui pourrait, à terme, rivaliser avec les capacités de machines mille fois plus grandes, pour une fraction de leur coût. Cela permettrait également de nouvelles applications en médecine, comme l’attachement de ce dispositif à une petite sonde pour cibler précisément une tumeur avec un faisceau d’électrons.

Les avancées en nanofabrication et en laser

Grâce aux progrès réalisés dans la fabrication à l’échelle nanométrique et dans les technologies laser, la vision de Payton Broaddus devient de plus en plus réalisable, selon Olav Solgaard, directeur du laboratoire Edward L. Ginzton et professeur à l’École d’ingénierie. Les accélérateurs traditionnels à radiofréquence sont constitués de cavités en cuivre stimulées par des ondes radio qui donnent un coup de pouce énergétique aux particules. Ces impulsions peuvent chauffer le métal, nécessitant ainsi un fonctionnement à des énergies et des taux d’impulsion plus faibles pour dissiper la chaleur et éviter la fusion.

En revanche, les structures en verre et en silicium peuvent gérer des impulsions énergétiques bien plus importantes issues des lasers sans surchauffer, ce qui leur permet d’être à la fois plus puissantes et plus petites. Il y a environ 10 ans, les chercheurs de Stanford ont commencé à expérimenter avec des structures de taille nanométrique fabriquées à partir de ces matériaux. En 2013, une équipe dirigée par le co-auteur de l’article, Robert Byer, professeur émérite, a démontré qu’un petit accélérateur en verre avec de la lumière infrarouge pulsée avait réussi à accélérer des électrons. Ces résultats ont conduit à l’adoption du projet par la Gordon and Betty Moore Foundation dans le cadre de la collaboration internationale Accelerator on a Chip (ACHIP) pour produire un accélérateur méga-électron-volt de la taille d’une boîte à chaussures.

Diriger les électrons avec des lasers

L’équipe de Stanford a maintenant démontré avec succès qu’elle pouvait également diriger les électrons à l’échelle nanométrique. Pour ce faire, ils ont construit une structure en silicium avec un canal sub-micronique placé dans un système sous vide. Ils ont injecté des électrons à une extrémité et éclairé la structure des deux côtés avec une impulsion laser façonnée qui délivrait des coups d’énergie cinétique. Périodiquement, les champs laser basculaient entre des propriétés de focalisation et de défocalisation, ce qui regroupait les électrons et les empêchait de dévier de leur trajectoire.

Cette chaîne d’accélération, de défocalisation et de focalisation a agi sur les électrons sur une distance de presque un millimètre. Bien que cela puisse sembler peu, ces particules chargées ont reçu une impulsion considérable, gagnant 23,7 kilo-électron-volts d’énergie, soit environ 25 % de plus que leur énergie initiale. Le taux d’accélération que l’équipe a pu atteindre dans leur prototype d’accélérateur miniature est comparable à celui des accélérateurs en cuivre conventionnels, et Payton Broaddus ajoute que des taux d’accélération bien plus élevés sont possibles.

Malgré cette avancée significative, il reste encore beaucoup à faire avant que ces petits accélérateurs puissent être utilisés dans l’industrie, la médecine et la recherche. Jusqu’à présent, la capacité de l’équipe à diriger les électrons a été limitée à deux dimensions ; un confinement tridimensionnel des électrons sera nécessaire pour permettre à l’accélérateur d’être suffisamment long pour des gains d’énergie plus importants.

La course de relais des électrons

Un groupe de recherche sœur à l’Université Friedrich Alexander (FAU) à Erlangen, en Allemagne, a récemment démontré un dispositif similaire avec un seul laser et partant d’une énergie de départ beaucoup plus faible. Ce dispositif et celui de Stanford feront finalement partie d’une sorte de course de relais électronique, explique le doctorant.

Cette future course de relais aurait trois participants : le dispositif de la FAU prendrait des électrons à faible énergie et leur donnerait un premier coup de pouce, puis ils pourraient être alimentés dans un dispositif similaire à celui que développe encore le chercheur. La dernière étape pour les électrons serait un accélérateur en verre, comme celui développé par Byer. Le verre peut supporter des coups de laser encore plus forts que le silicium, permettant à l’accélérateur d’augmenter encore l’énergie des électrons et de les pousser vers la vitesse de la lumière.

À terme, Solgaard croit qu’un tel accélérateur miniature sera utile en physique à haute énergie, explorant la matière fondamentale qui compose l’univers, tout comme le font ses homologues de plus grande taille. « Nous avons encore un très long chemin à parcourir », a-t-il dit. Mais il reste optimiste, ajoutant : « nous avons franchi les premières étapes. »

Article : « Subrelativistic Alternating Phase Focusing Dielectric Laser Accelerators » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.085001

Légende illustration : Illustration d’un accélérateur de la taille d’une boîte à chaussures. Une source d’électrons et un buncher/injecteur alimentent un DLA subrelativiste (le dispositif décrit dans cet article), qui accélère les électrons jusqu’à une énergie de 1 MeV. Ces électrons sont encore accélérés par un DLA relativiste piloté par un guide d’ondes SiO2, et passent finalement à travers un onduleur pour produire un rayonnement cohérent d’électrons libres. (Crédit photo : Fondation Moore / Payton Broaddus)