Pour la première fois, des chercheurs ont utilisé avec succès un nanodispositif pour accélérer des électrons. Les accélérateurs de particules sont des outils importants dans de nombreux domaines, notamment l’industrie, la recherche et la médecine. L'espace requis pour ces machines va de quelques mètres carrés aux grands centres de recherche. L’utilisation de lasers pour accélérer les électrons dans les nanostructures photoniques constitue une alternative microscopique susceptible de réduire considérablement les coûts et de permettre aux dispositifs d’être considérablement plus petits.

Jusqu’à présent, rien ne prouve que cette approche puisse augmenter de manière significative l’énergie. En d’autres termes, il n’a pas été prouvé que la vitesse des électrons ait réellement augmenté de manière significative. Aujourd'hui, une équipe de physiciens des lasers de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg (FAU), en collaboration avec des collègues de l'Université de Stanford, a démontré avec succès le premier accélérateur d'électrons nanophotonique.

Pour la première fois, des chercheurs de l’Académie fédérale des sciences d’Allemagne ont réussi à accélérer de manière mesurable des électrons dans des structures de seulement quelques nanomètres. Sur la photo, vous pouvez voir une puce électronique avec ces structures, comparée à une pièce de 1 centime. Source de l'image : FAU/JulianLitzel

Les accélérateurs de particules et leur évolution en nanophotons

Lorsque les gens entendent « accélérateur de particules », la plupart pensent probablement au Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève. Ce tunnel circulaire de 27 kilomètres de long est utilisé par des chercheurs du monde entier pour étudier des particules élémentaires inconnues. Toutefois, cet accélérateur de particules géant constitue une exception. Nous sommes plus susceptibles de les rencontrer ailleurs dans notre vie quotidienne, par exemple lors de procédures d'imagerie médicale ou de radiothérapie de tumeurs. Cependant, ces appareils restent malgré tout de plusieurs mètres, assez encombrants et laissent beaucoup à désirer en termes de performances.

Dans le but d'améliorer et de réduire la taille des dispositifs existants, des physiciens du monde entier travaillent sur des accélérateurs laser diélectriques, également appelés accélérateurs de nanophotons. La structure qu’ils ont utilisée ne mesure que 0,5 millimètre de long et le canal à travers lequel les électrons sont accélérés n’a qu’une largeur d’environ 225 nanomètres, ce qui rend ces accélérateurs aussi petits que des puces informatiques.

Les particules sont accélérées par des impulsions laser ultracourtes qui éclairent les nanostructures. "Notre application de rêve serait de monter un accélérateur de particules sur un endoscope pour pouvoir administrer une radiothérapie directement aux parties affectées du corps", explique le Dr Tomáš Chlouba, l'un des quatre auteurs principaux de l'article récemment publié.

Ce rêve est peut-être encore hors de portée pour l'équipe FAU du Département de physique des lasers, dirigée par le professeur Peter Hommelhoff et composée des Drs. Tomáš Chlouba, Dr Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner et Julian Litzel, mais ils ont désormais réussi à faire un pas décisif dans la bonne direction en démontrant un accélérateur d'électrons nanophotonique. Le Dr Roy Shiloh a déclaré avec enthousiasme : « Pour la première fois, nous pouvons réellement mettre en œuvre un accélérateur de particules sur une puce.

Électrons guidés + accélération = accélérateur de particules

Il y a un peu plus de deux ans, l'équipe de recherche a réalisé sa première avancée majeure : elle a utilisé avec succès la méthode de focalisation en phase alternée (APF) issue de la première théorie de l'accélération pour contrôler le flux d'électrons sur de longues distances dans un canal à vide. Il s’agit d’une étape importante vers la construction d’accélérateurs de particules. Désormais, tout ce dont vous avez besoin pour obtenir beaucoup de puissance, c’est d’accélération.

"Grâce à cette technique, nous avons réussi non seulement à guider les électrons, mais aussi à les accélérer dans ces structures nanofabriquées, qui mesurent jusqu'à un demi-millimètre de long", explique Stephanie Kraus. "Même si cela ne semble pas être une grande réussite pour beaucoup, il s'agit d'un énorme succès dans le domaine de la physique des accélérateurs, et nous atteignons des énergies de 12 kiloélectronvolts", explique Leon Brückner.

Pour accélérer les particules sur de si grandes distances (à partir de l’échelle nanométrique), les physiciens de la FAU ont combiné la méthode APF avec une géométrie cylindrique spécialement développée.

Cependant, cette démonstration n’est qu’un début. L’objectif est désormais d’augmenter le gain d’énergie et de courant électronique afin que les accélérateurs de particules intégrés soient suffisants pour les applications médicales. Pour ce faire, le gain d’énergie doit être augmenté d’un facteur 100 environ. Tomáš Chlouba explique l’avenir des physiciens laser de la FAU.

Les résultats des recherches des physiciens des lasers d'Erlangen ont été présentés presque simultanément par leurs collègues de l'université de Stanford aux États-Unis : leurs résultats sont actuellement en cours d'examen mais peuvent être consultés dans la base de données. Dans le cadre d'un projet financé par la Fondation Gordon et Betty Moore, les deux équipes collaborent pour mettre en œuvre un « accélérateur sur puce ».
"En 2015, l'équipe ACHIP dirigée par la FAU et Stanford avait une vision pour une approche révolutionnaire de la conception des accélérateurs de particules", a déclaré le Dr Gary Greenberg de la Fondation Gordon et Betty Moore. "Nous sommes heureux que notre soutien ait contribué à transformer cette vision en réalité."