Un nouveau dispositif piloté par laser, capable à la fois de confiner et d'accélérer des électrons sur des distances d'environ un millimètre, a été développé par des chercheurs américains. En combinant les avancées des nanosciences, des lasers et de la technologie du vide, Payton Broaddus et collègues à l'Université de Stanford déclarent avoir développé l'accélérateur laser diélectrique (DLA) le plus performant à ce jour.
En plus de conduire des particules chargées comme les électrons vers des énergies cinétiques élevées, un accélérateur utile doit également être capable de confiner les particules dans un faisceau étroit. De plus, le faisceau doit également être aussi proche que possible du monoénergétique.
Dans les installations modernes, cela se fait généralement à l’aide de cavités radiofréquence (RF) recouvertes de cuivre ou, plus récemment, d’un supraconducteur tel que le niobium. Lorsqu’elles sont pilotées par de puissants signaux RF, ces cavités résonantes développent des tensions très élevées qui accélèrent les particules avec des énergies très spécifiques. Cependant, il existe des limites physiques aux énergies maximales des particules pouvant être atteintes de cette manière.
« Rendre les champs électromagnétiques trop importants peut endommager les parois [de la cavité], ce qui ruine la machine », explique Broaddus. "Il s'agit actuellement d'une limitation majeure dans tous les accélérateurs conventionnels et limite le gradient d'accélération sûr à des dizaines de mégaélectronvolts par mètre." En effet, c’est la principale raison pour laquelle les accélérateurs deviennent de plus en plus gros et plus chers afin d’obtenir des énergies de particules plus élevées.
Conceptions alternatives d'accélérateurs
Pour créer des dispositifs plus compacts, les chercheurs du monde entier explorent diverses technologies d'accélérateur alternatives, dans le but d'obtenir le gradient d'accélération le plus élevé possible sur la distance la plus courte.
Une technologie prometteuse est le DLA, conçu pour la première fois dans les années 1950. Au lieu de diriger un signal RF vers une cavité conductrice, un DLA consiste à tirer un laser à travers un minuscule canal situé dans un matériau diélectrique. Cela crée un champ électrique alternatif dans le canal, qui agit comme une cavité résonante. En optimisant la nanostructure de la cavité et en chronométrant soigneusement le moment où les électrons sont envoyés à travers le canal, les particules sont accélérées.
Bien que la physique de cette configuration soit globalement similaire à celle des conceptions d’accélérateurs plus conventionnelles, elle offre un gradient d’accélération beaucoup plus élevé. Cela pourrait être utilisé pour réduire la taille des accélérateurs – du moins en principe.
"Les champs auxquels ces diélectriques peuvent survivre grâce aux lasers sont d'un à deux ordres de grandeur supérieurs à ceux que le cuivre peut gérer à partir des ondes RF et peuvent donc, en théorie, avoir un gradient d'accélération d'un à deux ordres de grandeur plus élevé", explique Broaddus. Cependant, il souligne que réduire la largeur de la cavité de six ordres de grandeur présente des défis, notamment celui de savoir comment maintenir les électrons confinés dans un faisceau et éviter qu'ils ne s'écrasent sur les parois de la cavité.
Aujourd'hui, Broaddus et ses collègues ont relevé ce défi en s'appuyant sur trois avancées technologiques. Il s’agit de la capacité de créer des nanostructures semi-conductrices très précises ; la capacité de produire des impulsions laser femtosecondes lumineuses et cohérentes avec des taux de répétition stables ; et la capacité de maintenir un vide ultra poussé dans des cavités semi-conductrices d’un millimètre de longueur.
Nouvelles nanostructures et impulsions
Grâce à la conception minutieuse des nanostructures et à l'utilisation d'impulsions laser de forme spéciale, l'équipe a pu créer des champs électriques dans leur nouvelle cavité qui concentrent les électrons dans un faisceau.
Cela a permis à l’équipe d’accélérer un faisceau confiné d’électrons sur une distance de 0.708 mm, augmentant ainsi son énergie de 24 keV. "Cela représente une augmentation d'un ordre de grandeur des deux chiffres de mérite par rapport aux accélérateurs précédents", explique Broaddus.
Accélérateur sur puce créé par un algorithme de conception inverse
Sur la base de leurs dernières réalisations, l'équipe est convaincue que les DLA pourraient considérablement améliorer la capacité des chercheurs à atteindre des énergies électroniques sub-relativistes. «Les DLA peuvent désormais être traités comme une véritable technologie d'accélérateur, dans laquelle nous pouvons extraire les paramètres d'accélérateur traditionnels de nos appareils et qui peuvent être comparés à d'autres technologies d'accélérateur», explique Broaddus.
À leur tour, ces améliorations pourraient ouvrir la voie à de nouvelles découvertes en physique fondamentale et pourraient même offrir de nouveaux avantages dans des domaines tels que l’industrie et la médecine.
La recherche est décrite dans Physical Review Letters.
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- La source: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
