Un accélérateur de particules produisant des rayons X intenses pourrait être intégré dans un appareil qui tient sur une table, ont découvert mes collègues et moi dans le cadre d'un nouveau projet de recherche.
Les rayons X intenses sont actuellement produits grâce à une installation appelée source de lumière synchrotron. Ceux-ci sont utilisés pour étudier des matériaux, des molécules médicamenteuses et des tissus biologiques. Mais même les plus petits synchrotrons existants ont à peu près la taille d’un stade de football.
Notre recherche, publiée dans la revue Lettres d'examen physiquemontre comment de minuscules structures appelées nanotubes de carbone et lumière laser pourraient générer des rayons X brillants sur une micropuce. Bien que le dispositif en soit encore au stade de la conception, son développement a le potentiel de transformer la médecine, la science des matériaux et d’autres disciplines.
La plupart des gens imaginent les accélérateurs de particules comme d’énormes machines, de très grands anneaux de métal et des aimants s’étendant sur des kilomètres sous terre. Le Grand collisionneur de hadrons du Cern (l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire) à Genève, par exemple, mesure 27 km de long.
Les nouvelles recherches montrent qu’il sera peut-être bientôt possible de construire des accélérateurs ultra-compacts de seulement quelques micromètres de large, soit plus petit que la largeur d’un cheveu humain. Ceux-ci pourraient générer des rayons X cohérents et de haute énergie similaires à ceux produits par des installations synchrotron d’un milliard de livres, mais en utilisant des dispositifs adaptés à une micropuce.
Lumière tordue
Le principe repose sur une propriété particulière de la lumière connue sous le nom de polaritons de plasmons de surface. Ce sont des ondes qui se forment lorsque la lumière laser adhère à la surface d’un matériau. Dans les simulations, une impulsion laser à polarisation circulaire était envoyée à travers un minuscule tube creux. Cette impulsion laser polarisée est une lumière qui se tord lorsqu’elle se déplace, un peu comme un tire-bouchon.
Le champ tourbillonnant piège et accélère les particules électroniques à l’intérieur du tube, les forçant à un mouvement en spirale. Lorsqu'ils se déplacent de manière synchronisée, les électrons émettent un rayonnement de manière cohérente, amplifiant l'intensité de la lumière jusqu'à deux ordres de grandeur.
Mon équipe et moi avons créé un synchrotron microscopique, où les mêmes principes physiques qui régissent les installations à l'échelle d'un kilomètre s'appliquent, mais à une échelle nanoscopique.
Pour faire fonctionner ce concept, des nanotubes de carbone ont été utilisés. Ce sont des structures cylindriques constituées d’atomes de carbone disposés selon des motifs hexagonaux. Ces nanotubes peuvent résister à des champs électriques très élevés, des centaines de fois plus puissants que ceux des accélérateurs conventionnels. Ils peuvent également être « cultivés » verticalement dans ce que nous appelons une « forêt » de tubes creux étroitement alignés.
Cette architecture unique offre un environnement idéal pour que la lumière laser du tire-bouchon se couple aux électrons. Le laser polarisé circulairement s'adapte à la structure interne du nanotube, un peu comme une clé dans une serrure, c'est pourquoi nous faisons référence à un mécanisme de serrure et de clé quantique.
L'équipe de recherche dont je fais partie était dirigée par Bifeng Lei, associé de recherche à l'École des sciences physiques. Des simulations 3D ont montré que cette interaction peut produire des champs électriques de plusieurs téravolts (un billion de volts) par mètre. C’est bien au-delà de ce que les technologies actuelles des accélérateurs peuvent réaliser.
Ce type de performance pourrait changer l’accès aux sources de rayons X de pointe. À l'heure actuelle, les scientifiques doivent postuler pour des plages horaires limitées dans de grandes installations nationales de synchrotron ou des lasers à électrons libres, attendant souvent des mois pour obtenir quelques heures de temps de faisceau.
Ouvrir l'accès
L’approche de l’accélérateur de table pourrait rendre cette capacité disponible dans les hôpitaux, les universités et les laboratoires industriels. En fait, partout où cela est nécessaire.
En médecine, cela pourrait signifier des mammographies plus claires et de nouvelles techniques d’imagerie révélant les tissus mous avec des détails sans précédent, sans agents de contraste. Lors du développement de médicaments, les chercheurs pourraient analyser les structures protéiques en interne, accélérant ainsi considérablement la conception de nouveaux traitements. Et dans les domaines des matériaux, de la science et de l’ingénierie des semi-conducteurs, cela pourrait permettre des tests non destructifs et à grande vitesse de composants délicats.
L’étude a été présentée lors de l’atelier NanoAc 2025 sur le thème de la nanotechnologie dans la physique des accélérateurs, qui s’est tenu à Liverpool au début du mois. Les recherches en sont actuellement au stade de la simulation. Mais les composants nécessaires existent déjà : de puissants lasers à polarisation circulaire et des structures de nanotubes fabriquées avec précision sont des outils standards dans les laboratoires de recherche avancés.
La prochaine étape est la vérification expérimentale. En cas de succès, cela marquerait le début d’une nouvelle génération de sources de rayonnement ultra compactes. Ce qui m’enthousiasme le plus dans cette technologie, ce n’est pas seulement la physique, mais ce qu’elle représente.
Les accélérateurs à grande échelle ont permis d’énormes progrès scientifiques, mais ils restent hors de portée pour la plupart des institutions. Un accélérateur miniaturisé offrant des performances comparables pourrait démocratiser l’accès à des outils de recherche de classe mondiale, mettant ainsi la science de pointe entre les mains d’un plus grand nombre de chercheurs.
L’avenir de l’accélération des particules pourrait inclure de très grandes machines pour repousser encore les limites de l’énergie, de l’intensité et de la découverte, ainsi que des accélérateurs plus petits, plus intelligents et plus accessibles.
