Étape importante : l'accélérateur de particules miniature fonctionne
Des chercheurs réussissent pour la première fois à accélérer des électrons à l'aide d'un nanodispositif
Les accélérateurs de particules sont des outils essentiels dans un grand nombre de domaines de l'industrie, de la recherche et du secteur médical. L'espace nécessaire à ces machines va de quelques mètres carrés à de grands centres de recherche. L'utilisation de lasers pour accélérer les électrons au sein d'une nanostructure photonique constitue une alternative microscopique susceptible de générer des coûts nettement inférieurs et de rendre les appareils 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 avait réellement augmenté de manière significative. Une équipe de physiciens des lasers de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a maintenant réussi à démontrer le premier accélérateur d'électrons nanophotonique - en même temps que des collègues de l'université de Stanford. Les chercheurs de la FAU viennent de publier leurs résultats dans la revue "Nature "*.
Lorsque les gens entendent "accélérateur de particules", la plupart d'entre eux pensent 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 gigantesques accélérateurs de particules sont toutefois l'exception. Il est plus probable que nous les rencontrions dans d'autres endroits de notre vie quotidienne, par exemple lors de procédures d'imagerie médicale ou lors de l'irradiation pour traiter des tumeurs. Mais même dans ces cas-là, les appareils mesurent plusieurs mètres et restent plutôt encombrants, avec une marge d'amélioration en termes de performances. Afin d'améliorer et de réduire la taille des dispositifs existants, des physiciens du monde entier travaillent sur l'accélération par laser diélectrique, également connue sous le nom d'accélérateur nanophotonique. Les structures utilisées ne mesurent que 0,5 millimètre de long et le canal par lequel les électrons sont accélérés n'a qu'une largeur d'environ 225 nanomètres, ce qui rend ces accélérateurs aussi petits qu'une puce d'ordinateur.
Les particules sont accélérées par des impulsions laser ultracourtes qui illuminent les nanostructures. "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 loin d'être à la portée de l'équipe de la FAU de la chaire de physique des lasers, dirigée par le professeur Peter Hommelhoff et composée des docteurs Tomáš Chlouba, Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner et Julian Litzel, mais ils ont maintenant réussi à faire un pas décisif dans la bonne direction en faisant la démonstration de l'accélérateur d'électrons nanophotonique. "Pour la première fois, nous pouvons vraiment parler d'un accélérateur de particules sur une puce", s'enthousiasme le Dr Roy Shiloh.
Guidage des électrons + accélération = accélérateur de particules
Il y a un peu plus de deux ans, l'équipe a réalisé 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 sous vide sur de longues distances. Il s'agit du premier grand pas vers la construction d'un accélérateur de particules. Il ne manquait plus que l'accélération pour obtenir de grandes quantités d'énergie. "Grâce à cette technique, nous avons réussi non seulement à guider les électrons, mais aussi à les accélérer dans ces structures nano-fabriquées sur une longueur d'un demi-millimètre", explique Stefanie Kraus. Bien que cela puisse paraître anodin pour beaucoup, il s'agit d'un énorme succès pour le domaine de la physique des accélérateurs. "Nous avons gagné une énergie de 12 kiloélectrons-volts. Cela représente un gain d'énergie de 43 %", explique Leon Brückner.
Afin d'accélérer les particules sur de si grandes distances (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 maintenant d'augmenter le gain en énergie et en courant électronique de manière à ce que l'accélérateur de particules sur puce soit suffisant pour des applications en médecine. Pour ce faire, le gain en énergie devrait être multiplié par un facteur d'environ 100. "Pour obtenir des courants d'électrons plus élevés à des énergies plus importantes à la sortie de la structure, nous devrons agrandir les structures ou placer plusieurs canaux les uns à côté des autres", explique Tomáš Chlouba pour expliquer les prochaines étapes des physiciens laséristes de la FAU.
Une course en tête entre physiciens
Ce que les physiciens laser d'Erlangen ont réussi à faire a été démontré presque simultanément par des collègues de l'université de Stanford, aux États-Unis : Leurs résultats sont actuellement en cours d'examen, mais peuvent être consultés sur un dépôt. Les deux équipes travaillent ensemble à la réalisation de l'"accélérateur sur puce" dans le cadre d'un projet financé par la Fondation Gordon et Betty Moore. "En 2015, l'équipe ACHIP dirigée par FAU et Stanford avait la vision d'une approche révolutionnaire de la conception des accélérateurs de particules", a déclaré le Dr Gary Greenburg de la Fondation Gordon et Betty Moore, "et nous sommes ravis que notre soutien ait contribué à faire de cette vision une réalité."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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