Les accélérateurs de particules présentent un énorme potentiel pour les applications des semi-conducteurs, l’imagerie médicale et la thérapie, ainsi que pour la recherche sur les matériaux, l’énergie et la médecine. Cependant, les accélérateurs traditionnels nécessitent beaucoup de marge de manœuvre (kilomètres), sont coûteux et sont limités à quelques laboratoires et universités nationaux. Une équipe de recherche collaborative a développé un accélérateur de particules compact capable de produire des faisceaux d'électrons de haute énergie dans un volume beaucoup plus petit que les accélérateurs traditionnels. Cette avancée ouvre de nouvelles possibilités pour la médecine, les semi-conducteurs et la recherche scientifique, avec une miniaturisation accrue et une praticité accrue.

Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin, de plusieurs laboratoires nationaux, d'universités européennes et de TAU Systems, basée au Texas, ont démontré un accélérateur de particules compact de moins de 20 mètres de long, capable de produire un faisceau d'électrons d'une énergie de 10 milliards d'électrons-volts (10GeV). Actuellement, il n’existe aux États-Unis que deux autres accélérateurs capables d’atteindre des énergies électroniques aussi élevées, mais tous deux mesurent environ 3 kilomètres de long.

Cette chambre à gaz est un élément clé de l'accélérateur laser compact Nagisa développé à l'Université du Texas à Austin. À l’intérieur de l’accélérateur, des lasers extrêmement puissants frappent l’hélium gazeux, le chauffant pour former un plasma et créant des ondes qui font sortir les électrons du gaz sous forme de faisceaux d’électrons de haute énergie. Crédit photo : Bjorn "Manuel" Hegelich

"Nous pouvons désormais atteindre ces énergies dans un rayon de 10 centimètres", a déclaré Bjorn "Manuel" Hegelich, professeur agrégé de physique à l'Université du Texas à Austin et PDG de TAU Systems, faisant référence à la taille de la chambre qui génère le faisceau d'électrons. Il est l'auteur principal d'un article décrivant leurs réalisations récemment publié dans la revue Matter and Radiation at Extreme.

Heglich et son équipe explorent actuellement comment leur accélérateur, appelé Advanced Wang Field Laser Accelerator, peut être utilisé à diverses fins. Ils espèrent l’utiliser pour tester la résistance aux radiations de l’électronique spatiale, imager la structure interne tridimensionnelle de nouvelles conceptions de puces semi-conductrices et même développer de nouveaux traitements contre le cancer et des techniques avancées d’imagerie médicale.

Dessin de la chambre à air. Dans la chambre à gaz, un laser très puissant irradie l'hélium gazeux, le chauffe en plasma et génère des ondes électriques qui émettent les électrons contenus dans le gaz sous la forme de faisceaux d'électrons de haute énergie. Les nanoparticules sont produites par un laser secondaire qui brille à travers une fenêtre supérieure et frappe une plaque métallique, améliorant ainsi l'énergie transférée aux électrons. Source : Université du Texas à Austin

L’accélérateur peut également être utilisé pour piloter un autre appareil appelé laser à électrons libres à rayons X, capable de filmer des processus au ralenti à l’échelle atomique ou moléculaire. Des exemples de tels processus incluent les interactions médicament-cellule, les changements à l’intérieur des batteries qui peuvent provoquer leur incendie, les réactions chimiques à l’intérieur des panneaux solaires et les changements de forme des protéines virales lorsqu’elles infectent les cellules.

Le concept de l'accélérateur laser de Wangchang est apparu pour la première fois en 1979. Des lasers extrêmement puissants frappent l'hélium gazeux, le chauffant pour former un plasma et créant des ondes qui font sortir les électrons du gaz du faisceau à haute énergie. Au cours des dernières décennies, différents groupes de recherche ont développé des versions plus puissantes. La principale avancée de Heglich et de son équipe reposait sur les nanoparticules. Le laser auxiliaire irradie la plaque métallique dans la chambre à gaz, et la plaque métallique injecte un flux de nanoparticules métalliques, améliorant ainsi l'énergie de l'onde électronique.

Le laser est comme un bateau qui rame sur le lac, laissant une ondulation, et les électrons sont comme des surfeurs chevauchant cette onde de plasma.

Image de l'accélérateur laser de champ compact Nagisa développé à l'Université du Texas à Austin. Le faisceau laser pénètre dans la chambre à gaz par la droite et génère un faisceau d'électrons dans la chambre à gaz. Le faisceau d'électrons pénètre enfin dans les deux écrans à scintillation (DRZ1 et DRZ2) de gauche pour analyse. Source : Université du Texas à Austin

"Il est difficile d'entrer dans une grosse vague sans se faire écraser, c'est pourquoi les surfeurs sont entraînés dans la vague par des jet-skis", a déclaré Heglich. "L'équivalent des jet-skis dans notre accélérateur sont des nanoparticules qui libèrent des électrons au bon moment et au bon moment, de sorte que les électrons sont dans la vague. Nous introduisons plus d'électrons dans la vague quand et où nous le voulons, plutôt que d'être statistiquement distribués tout au long de l'interaction, et c'est notre sauce secrète."

Pour cette expérience, les chercheurs ont utilisé l’un des lasers pulsés les plus puissants au monde, le Texas Petawatt Laser. Une seule impulsion laser Pitawa a une puissance environ 1 000 fois supérieure à celle installée aux États-Unis, mais ne dure que 150 femtosecondes, soit moins d'un milliardième de la durée d'une décharge de foudre. L'objectif à long terme de l'équipe est d'alimenter leur système avec un laser qu'ils développent actuellement et qui pourrait être posé sur une table et tirer à plusieurs reprises des milliers de fois par seconde, rendant l'ensemble de l'accélérateur plus compact et applicable à une gamme d'applications plus large que les accélérateurs traditionnels.