Illustration d’un accélérateur de la taille d’une boîte à chaussures. Une source d’électrons et un regroupeur/injecteur alimentent un DLA sous-relativiste (le dispositif décrit dans cet article), qui accélère les électrons jusqu’à 1 MeV en énergie. Ces électrons sont encore accélérés par le 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 : Fondation Moore / Payton Broaddus
Une nouvelle avancée des ingénieurs de Stanford pourrait conduire à une large diffusion des accélérateurs de particules dans les domaines scientifique, médical et industriel.
Les chercheurs de Stanford se rapprochent de la construction d’un minuscule accélérateur d’électrons basé sur la technologie « accélérateur sur puce » avec de larges applications potentielles dans l’étude de la physique ainsi que dans les utilisations médicales et industrielles.
Les chercheurs ont démontré qu’un accélérateur laser diélectrique au silicium, ou DLA, peut désormais à la fois accélérer et confiner les électrons, créant ainsi un faisceau focalisé d’électrons de haute énergie. « Si les électrons étaient des voitures microscopiques, c’est comme si, pour la première fois, nous dirigeions et avions le pied sur l’accélérateur », a déclaré Payton Broaddus, PhD ’23 en génie électrique et auteur principal d’un article publié sur 23 février détaillant la percée dans Lettres d’examen physique.
Faire passer les accélérateurs de kilomètres en microns
Les accélérateurs produisent des faisceaux de particules à haute énergie qui permettent aux physiciens d’étudier les propriétés des matériaux, de produire des sondes ciblées pour des applications médicales et d’identifier les éléments constitutifs élémentaires qui composent toute la matière de l’univers. Certains des premiers accélérateurs de particules à haute énergie, développés dans les années 1930, pouvaient tenir sur une table. Mais des énergies de particules plus élevées étaient nécessaires pour étudier une physique plus avancée, les scientifiques devaient donc construire des systèmes plus grands. (Mise en service en 1966, le tunnel de l’accélérateur linéaire d’origine du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC sur le campus de Stanford mesure près de 3 km de long.)
Bien que ces systèmes aient rendu possibles de nombreuses découvertes en physique des particules, Broaddus est motivé à construire un minuscule accélérateur linéaire qui pourrait éventuellement rivaliser avec les capacités de machines plus de mille fois sa taille, pour une fraction du coût. Cela permettrait également de nouvelles applications en médecine, comme la possibilité de fixer ce dispositif à une petite sonde et de tirer avec précision un faisceau d’électrons sur une tumeur. « Il est possible de remplacer complètement tous les autres accélérateurs de particules par quelque chose de moins cher et plus petit », a-t-il déclaré.
Grâce aux progrès de la fabrication à l’échelle nanométrique et des lasers, cette vision est de plus en plus possible, a déclaré Olav Solgaard, directeur du laboratoire Edward L. Ginzton et du professeur Robert L. et Audrey S. Hancock à la School of Engineering et auteur principal de l’étude. le papier. Les accélérateurs radiofréquences traditionnels sont constitués de cavités en cuivre pompées avec des ondes radio, qui donnent un regain d’énergie aux particules. Ces impulsions peuvent chauffer le métal, de sorte que les cavités doivent fonctionner à une énergie et à des fréquences d’impulsion inférieures pour dissiper la chaleur et éviter la fusion.
Mais les structures en verre et en silicium peuvent gérer des impulsions d’énergie beaucoup plus élevées provenant des lasers sans chauffer, elles peuvent donc être beaucoup plus puissantes tout en étant plus petites. Il y a environ 10 ans, des chercheurs de Stanford ont commencé à expérimenter des structures nanométriques constituées de ces matériaux. En 2013, une équipe dirigée par le co-auteur de l’article, Robert Byer, professeur émérite William R. Kenan, Jr., a démontré qu’un minuscule accélérateur en verre doté d’une lumière infrarouge pulsée avait réussi à accélérer les électrons. Ces résultats ont conduit à l’adoption du projet par la Fondation Gordon et Betty Moore 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.
Mais ce premier « accélérateur sur puce » avait encore quelques problèmes à résoudre. Comme le dit Broaddus, les électrons à l’intérieur étaient comme des voitures sur une route étroite sans volant. Ils pourraient accélérer très rapidement mais tout aussi facilement s’écraser contre un mur.
Micrographie électronique à balayage d’un accélérateur laser diélectrique d’un demi-millimètre de long à travers lequel les électrons voyagent et accélèrent. Les cellules étiquetées noires se concentrent longitudinalement et se défocalisent transversalement (LFTD), tandis que les cellules blanches se défocalisent longitudinalement et se défocalisent transversalement (LDTF), ce qui maintient les électrons sur la bonne voie. (Crédit image : Broaddus, P., Egenolf, T., Black, DS, Murillo, M., Woodahl, C., Miao, Y.,… Solgaard, O. (2024). Accélérateurs laser diélectriques à focalisation de phase alternée subrelativistes. Phys. Rev. Lett., 132, 085001. est ce que je:10.1103/PhysRevLett.132.085001)
Piloter les électrons avec des lasers
Aujourd’hui, cette équipe de chercheurs de Stanford a démontré avec succès qu’ils peuvent également diriger les électrons vers le à l’échelle nanométrique. Pour ce faire, ils ont construit une structure en silicium avec un canal submicronique placé dans un système sous vide. Ils ont injecté des électrons à une extrémité et ont éclairé la structure des deux côtés avec une impulsion laser façonnée qui délivrait des coups d’énergie cinétique. Périodiquement, les champs laser alternaient entre les propriétés de focalisation et de défocalisation, ce qui regroupait les électrons, les empêchant de dévier de leur trajectoire.
Au total, cette chaîne d’accélération, de défocalisation et de focalisation a agi sur les électrons sur une distance de près d’un millimètre. Cela peut sembler peu, mais ces particules chargées ont eu un sacré coup de fouet, gagnant 23,7 kiloélectron-volts d’énergie, soit environ 25 % de plus que leur énergie de départ. Le taux d’accélération que l’équipe a pu atteindre dans son prototype de petit accélérateur est comparable à celui des accélérateurs en cuivre conventionnels, et Broaddus ajoute que des taux d’accélération beaucoup plus élevés sont possibles.
Bien qu’il s’agisse d’un pas en avant important, 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 s’est limitée à deux dimensions : un confinement tridimensionnel des électrons sera nécessaire pour permettre à l’accélérateur d’être suffisamment long pour permettre des gains d’énergie plus importants.
Course de relais électronique
Un groupe de recherche partenaire de l’Université Friedrich Alexander (FAU) d’Erlangen, en Allemagne, a récemment démontré un dispositif similaire doté d’un seul laser et démarrant avec une énergie de démarrage beaucoup plus faible. Celui-ci et le dispositif de Stanford feront finalement partie d’une sorte de course à relais électronique, a déclaré Broaddus.
Ce futur relais aurait trois coéquipiers : le dispositif FAU prendrait des électrons de faible énergie et leur donnerait un premier coup de pied, puis ils pourraient ensuite être introduits dans un dispositif similaire à celui que Broaddus développe. La dernière étape pour les électrons serait un accélérateur en verre, comme celui développé par Byer. Le verre peut résister à des coups laser encore plus importants que le silicium, permettant à l’accélérateur de dynamiser davantage et de pousser les électrons vers la vitesse de la lumière.
À terme, Solgaard pense qu’un si petit accélérateur sera utile en physique des hautes énergies, explorant la matière fondamentale qui constitue l’univers tout comme le font ses homologues plus grands. « Nous avons un très, très long chemin à parcourir », a-t-il déclaré. Mais il reste optimiste, ajoutant : « nous avons fait les premiers pas ».
Parmi les autres co-auteurs de Stanford figurent Dylan Black, PhD ’21 ; Yu Miao, doctorat ’20 ; et les doctorantes Melanie Murillo et Clarisse Woodahl ; et l’ancien ingénieur de recherche Kenneth Leedle. Thilo Egenolf de l’Institut für Teilchenbeschleunigung und Elektromagnetische Felder à Darmstadt, en Allemagne, est également co-auteur.
Robert Byer est également professeur émérite de physique appliquée à la Faculté des sciences humaines et de la direction scientifique des photons du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC et membre de Stanford Bio-X. Solgaard est également professeur de génie électrique ; membre de Bio-X, du Stanford Cancer Institute et du Wu Tsai Neurosciences Institute ; et une filiale du Precourt Institute for Energy et du Stanford Woods Institute for the Environment.
