Électrons accélérés par tir de lasers dans des cavités nanophotoniques – Physics World

Électrons accélérés par tir de lasers dans des cavités nanophotoniques – Physics World

Horodatage: 25 octobre 2023 4h38

Accélérateur laser diélectrique
Petit appareil : photographie de la puce électronique contenant l'accélérateur laser diélectrique de l'Université Friedrich-Alexander. Une pièce d'un cent d'euro est présentée à titre de comparaison. (Image : FAU/Laser Physique, Stefanie Kraus, Julian Litzel)

Des accélérateurs de particules laser sur puces de silicium ont été créés par deux groupes de recherche indépendants. Avec de nouvelles améliorations, ces accélérateurs laser diélectriques pourraient être utilisés en médecine et dans l’industrie – et pourraient même trouver des applications dans des expériences de physique des particules à haute énergie.

L'accélération des électrons à des énergies élevées s'effectue normalement sur de longues distances dans des installations vastes et coûteuses. L'accélérateur d'électrons au cœur du laser européen à électrons libres à rayons X en Allemagne, par exemple, mesure 3.4 km de long et l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), en Californie, mesure 3.2 km.

En conséquence, l’utilisation des accélérateurs d’électrons pour des applications pratiques en médecine et dans l’industrie est sévèrement limitée. La taille et le coût sont également des facteurs dans la physique des particules basée sur les accélérateurs, où les installations deviennent de plus en plus grandes et plus coûteuses à mesure qu'elles atteignent des énergies de collision plus élevées.

Surfeurs sur une vague

Dans les accélérateurs conventionnels, les oscillations micro-ondes des champs électriques dans les cavités métalliques accélèrent les électrons comme les surfeurs sur une onde progressive. Le gradient d'accélération maximal est généralement de quelques dizaines de mégavolts par mètre et est défini par le champ électrique maximal pouvant exister entre les composants métalliques d'une cavité.

"Personne ne sait exactement ce qui se passe à la surface [métallique] et c'est toujours un domaine de recherche actif... mais lorsque les champs deviennent trop grands, quelque chose comme de minuscules petites pyramides poussent à la surface, puis des électrons se dispersent et le champ se brise." ," dit Peter Hommelhoff de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg en Allemagne.

Le coût et les défis technologiques des accélérateurs conventionnels incitent les chercheurs à développer des méthodes d'accélération alternatives. Dans cette dernière recherche, les champs électriques oscillants sont créés en envoyant des impulsions laser dans de minuscules cavités optiques constituées de nanostructures de silicium.

Hommelhoff affirme qu'il a fallu près de trente ans avant que les physiciens réalisent que l'accélération des électrons pouvait également être obtenue à l'aide de cavités nanophotoniques entraînées par une lumière à fréquence optique. L’utilisation de la lumière optique permet de réduire la taille de l’appareil car la longueur d’onde du rayonnement est beaucoup plus courte que celle des micro-ondes.

Aucun métal requis

Hommelhoff souligne un autre avantage important de cette approche : « Lorsque vous pilotez ces fréquences avec de la lumière laser, vous n'avez pas besoin de structures métalliques ». Il ajoute : « Il suffit d’utiliser du verre ordinaire… et vous pouvez générer le même mode que celui que vous pouvez générer avec des cavités et des champs micro-ondes ».

Comme la cavité est un isolant, de fortes concentrations de charges n’apparaissent pas en certains points de la surface. En conséquence, la seule limite au gradient d’accélération est le champ de claquage électrique du matériau.

En principe, cela permet l’intégration nanophotonique d’un accélérateur de particules, produisant des paquets d’électrons dans une ligne de lumière minuscule et précisément focalisée. Il existe cependant des défis pratiques. Les électrons de chaque groupe se repoussent et pour maintenir un groupe ensemble, il faut se concentrer par des forces externes. De plus, la compression d’un paquet dans une direction entraîne sa propagation dans d’autres directions.

Problème de répulsion

Dans des travaux antérieurs, des chercheurs dont Hommelhoff et Olav Solgaard de l'Université de Stanford en Californie ont démontré que ce problème de répulsion pouvait être atténué grâce à la focalisation à phase alternée. Dans cette technique, les électrons sont alternativement confinés dans un sens puis dans l’autre, produisant une distribution de champ oscillant.

Aujourd'hui, de nouveaux travaux sur ces accélérateurs ont été réalisés par deux groupes de recherche indépendants. L’un d’entre eux était dirigé par Hommelhoff de l’Université Friedrich-Alexander. L'autre groupe était une collaboration entre des scientifiques de Stanford dirigés par Solgaard et des chercheurs de la TU Darmstadt en Allemagne dirigés par Uwe Niedermeyer. Les deux équipes ont créé des accélérateurs laser diélectriques nanophotoniques qui ont augmenté l’énergie des paquets d’électrons sans que ceux-ci ne se brisent. L'équipe de Solgaard et Niedermeyer a fabriqué deux accélérateurs : l'un conçu à Stanford et l'autre à la TU Darmstadt. Un accélérateur a augmenté l’énergie des électrons de 96 keV de 25 % sur une distance de seulement 708 μm. C'est environ dix fois l'épaisseur d'un cheveu humain.

"Je pense que j'ai exercé plus de force sur un électron que quiconque", déclare Solgaard.

Le dispositif du groupe Hommelhoff a fonctionné à des énergies plus basses, accélérant les électrons de 28.4 keV à 40.7 keV sur 500 μm. Cela présentait ses propres défis, comme l'explique Hommelhoff. "Quand on veut accélérer des électrons non relativistes – dans notre cas, ils ne se déplacent qu'à un tiers de la vitesse de la lumière – ce n'est pas si simple et il est moins efficace de générer le mode optique qui se propage avec les électrons."

Champs de répartition plus élevés

Les chercheurs cherchent désormais à obtenir des gradients de champ encore plus élevés en fabriquant des dispositifs dans des matériaux présentant des champs de claquage plus élevés que le silicium. Ils pensent qu'à court terme, leurs projets d'accélération pourraient trouver des applications dans l'imagerie médicale et dans la recherche de matière noire.

Solgaard dit qu'il « pourrait faire partie d'une très petite minorité pensant que cela va jouer un rôle dans la physique des hautes énergies », mais que la technologie devrait être utilisable dans des matériaux tels que le quartz, dont le champ de dégradation est près de 1000 XNUMX fois supérieur à celui d'un matériau traditionnel. accélérateur. « Notre millimètre devient un mètre », dit-il ; « Au moment où nous atteignons un mètre, nous devrions égaler le SLAC en énergie… Pensez à avoir un accélérateur dans mon bureau qui correspond au SLAC. »

"Je pense que ces [deux équipes] ont démontré une nouvelle étape importante vers un véritable accélérateur sur puce", déclare un scientifique spécialisé dans les accélérateurs. Carsten Welsch de l'Université de Liverpool au Royaume-Uni. Il prévient toutefois qu'il reste beaucoup à faire en termes de contrôle des faisceaux et de diagnostics miniatures. En termes d’applications, il déclare : « Je partage leur optimisme quant aux applications médicales de type cathéter, amenant les électrons là où ils sont nécessaires, et en particulier pour les mini-sources lumineuses où personnellement je vois le plus grand potentiel. La combinaison d’un faisceau d’électrons et d’une lumière de haute qualité pourrait réellement ouvrir de toutes nouvelles opportunités et applications de recherche.

Cependant, Welsch reste sceptique quant aux applications telles que les collisionneurs de particules, soulignant la luminosité élevée et la qualité de faisceau élevée requises dans de telles machines. « Le prochain Grand collisionneur de hadrons ne sera pas un accélérateur laser diélectrique », conclut-il.

Hommelhoff et ses collègues décrivent leur travail dans Nature. Solgaard, Niedermeyer et leurs collègues décrivent leurs travaux sur arXiv.

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