De minuscules accélérateurs propulsent les électrons à grande vitesse à l'aide de lasers.

Un jour, de puissants accélérateurs de particules pourraient être suffisamment petits pour tenir dans votre poche.

Deux groupes de physiciens ont franchi une étape importante en créant de petites structures capables d'accélérer les électrons et de les maintenir dans un faisceau contrôlable, évitant ainsi la dispersion aléatoire. Cela représente un exploit sans précédent pour de tels micro-accélérateurs et constitue une avancée essentielle pour rendre ces dispositifs plus pratiques et plus courants.

« L’un des principaux problèmes des accélérateurs de particules… est leur taille gargantuesque et leur prix élevé », explique le physicien Jared Maxson de l’Université Cornell, qui n’a pas participé aux recherches récentes. Le processus de rétrécissement de ces machines pourrait permettre la création d'électrons de haute énergie sur une table, suggère Maxson. Cela pourrait potentiellement révolutionner la médecine et la recherche scientifique.

Les accélérateurs sont construits sur des puces de silicium et comprennent deux rangées de tours d’environ 2 micromètres de hauteur chacune. Rappelant des rangées de minuscules gratte-ciel, ces piliers, lorsqu'ils sont frappés par la lumière laser, génèrent des champs électromagnétiques. Ces champs électromagnétiques propulsent les particules subatomiques à une vitesse accrue le long d’un chemin extrêmement étroit entre les piliers, qui mesure moins d’un micromètre de large.

Dans un appareil, les électrons ont gagné 12,3 kiloélectronvolts d'énergie sur une distance d'un demi-millimètre, une augmentation notable de 43 pour cent qui a propulsé les particules à 40,7 kiloélectronvolts, informent le physicien Peter Hommelhoff et ses collègues dans leur rapport du 18 octobre dans Nature.

De plus, le placement prudent des espaces entre les piliers aide à garder le faisceau d’électrons sous contrôle, imitant ainsi efficacement les capacités de leurs homologues plus grands. «Il s'agit véritablement du premier accélérateur basé sur la nanophotonique, doté de toutes les caractéristiques qu'un accélérateur moderne devrait avoir», affirme Hommelhoff, associé à l'Université d'Erlangen-Nuremberg en Allemagne.

Une réalisation similaire a été annoncée le 3 octobre par le physicien Robert Byer de l'Université de Stanford et son équipe, faisant état de gains d'énergie allant jusqu'à 23,7 kiloélectronvolts. Les deux équipes font partie d’un consortium plus large intitulé Accelerator on a Chip International Program, ou ACHIP, consolidant les efforts de construction de ces micro-accélérateurs.

Le titre d'accélérateur de particules le plus puissant au monde revient au Grand collisionneur de hadrons, ou LHC, situé près de Genève, doté d'un anneau massif de 27 kilomètres. Les nouveaux accélérateurs miniatures, dotés de seulement quelques milliers d’électrons-volts, ne seront pas de sitôt responsables de la découverte des bosons de Higgs, une particule découverte au LHC en 2012.

Cependant, ces appareils pourraient avoir leurs applications uniques. Les électrons de haute énergie utilisés pour le traitement du cancer de la peau en endommageant l'ADN des cellules cancéreuses et en les tuant pourraient devenir beaucoup plus largement disponibles grâce à un accélérateur construit sur une puce, car le processus actuel nécessite une salle remplie de machinerie lourde.

De plus, des traitements similaires pourraient être applicables au-delà de la profondeur de la peau. "L'aspiration est d'avoir une fibre qui puisse pénétrer dans le corps humain pour une radiothérapie localisée, car l'accélérateur entier peut être logé en vous", suggère Pietro Musumeci de l'UCLA, membre de l'ACHIP qui n'a pas participé à ces nouvelles découvertes.

Les accélérateurs miniatures pourraient être utilisés pour créer des états de lumière particuliers potentiellement utiles pour l’informatique quantique. Alternativement, ils pourraient être utiles pour la recherche sur les matériaux, en créant éventuellement des images de matériaux minces avec une résolution temporelle extraordinairement élevée.

Malgré ces promesses, ces accélérateurs ont encore un long chemin à parcourir. Le taux d’émission d’électrons de ces machines est nettement inférieur à celui des accélérateurs conventionnels. Et bien qu’ils puissent focaliser le faisceau dans deux dimensions, davantage de travail est nécessaire pour atteindre une focalisation verticale.

Les gains énergétiques de ces appareils doivent également être améliorés. Alors que l’énergie accumulée par les électrons sur une distance d’accélération donnée est relativement la même que celle des accélérateurs conventionnels, les scientifiques visent à dépasser de loin les accélérateurs conventionnels avec des milliards d’électrons-volts par mètre.

Néanmoins, ce travail illustre des techniques qui semblaient autrefois ridicules à essayer. Au début, lorsque Byer partageait l’idée avec ses collègues, « ils éclataient de rire », se souvient-il. « Personne ne rit maintenant ; au lieu de cela, ils sont reconnaissants.

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