Nouvelles sources de lumière gamma fondées sur le rayonnement d’ondulation cristallin en canalisation
Les lasers à électrons libres à rayons X (XFEL), capables de produire des impulsions cohérentes et ultracourtes d’environ un angström, présentent une brillance très élevée. Cela permet, entre autres applications, l’imagerie non destructive des biomolécules. Cependant, il est difficile de réduire leur longueur d’onde au domaine des rayons gamma tout en maintenant ou en augmentant leur intensité. Avec le soutien du programme Actions Marie Sklodowska-Curie (MSCA), le projet N-LIGHT(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a cherché à surmonter le compromis longueur d’onde-intensité avec des sources de lumière gamma accordables à base de cristaux (CLS) capables d’une longueur d’onde inférieure à l’angström et d’une brillance ultra-élevée. Les applications potentielles sont nombreuses, notamment en science fondamentale, dans l’industrie, en biologie et en médecine.
La canalisation dans les cristaux
Les sources de lumière avancées telles que les XFEL s’appuient sur de grands ondulateurs magnétiques pour créer une lumière cohérente. N-LIGHT a adopté une approche radicale reposant sur des champs électrostatiques cristallins, plusieurs ordres de grandeur plus intenses que ceux générés par les aimants supraconducteurs. Le champ électrostatique collectif des atomes du cristal est utilisé pour contrôler le mouvement des particules chargées, généralement des électrons ou des positrons, dans le cristal le long des plans cristallographiques, un phénomène connu sous le nom de «canalisation». Cela conduit à l’oscillation transversale des particules et à l’émission d’un rayonnement canalisé. Selon Andrey V. Solov’yov du MBN Research Center(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), coordinateur de N-LIGHT: «Dans un cristal périodiquement courbé, une émission supplémentaire de “rayonnement ondulatoire cristallin” résulte du mouvement ascendant et descendant de la particule le long des plans courbés». Ces puissants champs électrostatiques cristallins dirigent des particules ultra-relativistes, c’est-à-dire des particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils y parviennent de manière plus efficace que les aimants les plus avancés, ce qui permet d’obtenir des sources lumineuses fortement miniaturisées et moins coûteuses que les sources conventionnelles.
Des avancées théoriques, numériques et expérimentales majeures
Sur la base des développements théoriques établissant un lien entre le profil de courbure des plans cristallins et la variation de la concentration en atomes dopants, des simulations numériques ont montré que l’efficacité de la canalisation et l’intensité du rayonnement de l’onduleur cristallin dépendent fortement de l’orientation du faisceau par rapport au profil du canal courbé à l’entrée du cristal. Les simulations ont également démontré que l’intensité du rayonnement des CLS pouvait être supérieure à celle des sources de lumière gamma actuelles. Des outils informatiques de pointe ont permis de simuler le comportement de propagation d’une particule unique dans un cristal et de prédire les propriétés de rayonnement. Une cartographie complète des paramètres de fonctionnement des ondulateurs cristallins pilotés acoustiquement a permis d’établir des plages d’utilisation pertinentes pour l’accélérateur du MAMI(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et aux accélérateurs du CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire)(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Les simulations de dynamique moléculaire ont caractérisé, pour la première fois, les changements structurels induits par le dopage au bore du diamant et au germanium du silicium», explique Andrei Korol, boursier du MSCA. Ces résultats ont conduit à des avancées expérimentales concrètes. Deux ondulateurs cristallins ont été fabriqués, l’un par dopage au bore à gradient du diamant, l’autre par dépôt d’un film de traction sur du silicium, et testés respectivement au MAMI et au CERN. Selon Andrey V. et Andrei Korol: «La campagne expérimentale a permis de réaliser deux premières en une seule expérience: la première observation directe du rayonnement ondulatoire cristallin d’un cristal de diamant dopé au bore exposé à un faisceau d’électrons, et la première observation de la canalisation des positrons (toutes deux au MAMI)».
Un avenir prometteur pour les sources de lumière gamma à base de cristaux
La mise au point des CLS repose sur un processus long et complexe: préparation des cristaux, conception et contrôle des faisceaux de particules, détection et caractérisation du rayonnement, avec un appui constant de l’analyse théorique et de la modélisation numérique. N-LIGHT a parcouru ce chemin dans son intégralité. Le passage à l’industrialisation prendra du temps. Toutefois, à l’image des synchrotrons, des lasers optiques, des sources Compton ou des XFEL, ces nouvelles sources gamma pourraient donner naissance à des industries de plusieurs milliards d’euros, avec des retombées majeures pour la société.