Un dispositif à cristal pourrait être utilisé pour construire de minuscules accélérateurs de particules

Un appareil de la taille d'une puce peut produire une lumière très intense qui pourrait aider à construire de minuscules machines à rayons X et des accélérateurs de particules

Par Karmela Padavic-Callaghan

4 janvier 2023

Une illustration de cristaux photoniques, des matériaux capables de piéger et de diriger la lumière

J. Joannopoulous/BIBLIOTHÈQUE DE PHOTOS SCIENTIFIQUES

Un dispositif de la taille d'un micromètre qui produit de la lumière en projetant un faisceau d'électrons sur une plaque de cristal pourrait être utilisé pour construire de minuscules accélérateurs de particules et des machines à rayons X. De tels dispositifs de la taille d’une puce pourraient être fabriqués plus rapidement, à moindre coût et de manière plus compacte que les accélérateurs de particules actuels.

Construit par Yi Yang de l'Université de Hong Kong et ses collègues du Massachusetts Institute of Technology, le nouveau dispositif se compose d'un morceau spécial de silicium appelé cristal photonique, d'un microscope électronique à balayage modifié qui projette un faisceau d'électrons dessus et d'un dispositif qui détecte la lumière émise. L’installation tire parti des champs électromagnétiques qui entourent les électrons lorsqu’ils se déplacent, ce qui peut exciter les particules chargées situées dans un matériau proche – dans ce cas, le cristal photonique – et émettre de la lumière.

À partir de modèles mathématiques, les chercheurs savaient qu'ils pouvaient améliorer les interactions entre le cristal et les électrons en ajoutant un motif au premier. Ils y ont donc gravé une grille d'indentations circulaires, chacune d'environ 100 nanomètres de large. La lumière et les électrons n’interagissent normalement pas beaucoup, mais le fait de concevoir l’énergie et l’impulsion de la lumière pour qu’ils correspondent à ceux des électrons permet des interactions inhabituellement importantes entre les deux. Cette méthode de correspondance pourrait éventuellement améliorer les émissions de lumière jusqu'à un million de fois, explique Yang.

Cette lumière a de nombreuses utilisations potentielles, depuis la spectroscopie, dans laquelle la lumière aide les scientifiques à découvrir la structure interne de différents matériaux, jusqu'à la communication basée sur la lumière.

Il peut notamment être utilisé pour fabriquer de minuscules accélérateurs de particules, explique Peter Hommelhoff de l'Université d'Erlangen-Nuremberg en Allemagne. Les chercheurs pourraient utiliser des impulsions lumineuses intenses pour accélérer les particules au lieu de les frapper avec des micro-ondes, comme cela est plus courant, dit-il.

Thomas Krauss, de l'Université de York au Royaume-Uni, affirme que le nouveau dispositif pourrait non seulement constituer un pas vers de minuscules accélérateurs de particules, mais également vers des machines à rayons X plus petites. Les rayons X sont essentiellement des ondes lumineuses dont les longueurs d’onde sont trop courtes pour que nous puissions les voir. En adaptant le motif du silicium et la vitesse des électrons dans le dispositif, il pourrait être possible de modifier la longueur d'onde de la lumière émise en rayons X.

« Lorsque vous faites une radiographie chez votre médecin, c'est une grosse machine. Nous pouvons désormais imaginer le faire avec une petite source de lumière, sur une puce », dit-il. Cela pourrait rendre la technologie des rayons X plus accessible aux établissements médicaux petits ou éloignés ou la rendre portable pour une utilisation par les premiers intervenants en cas d'accident.

Nature DOI : 10.1038/s41586-022-05387-5

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