Un synchrotron miniature

Les synchrotrons sont d'immenses installations capables de produire des faisceaux de rayons X intenses et de haute qualité à des fins scientifiques. Ils s'étendent généralement sur la taille d'un terrain de football et coûtent des centaines de millions de dollars à construire et à exploiter. Mais maintenant, les chercheurs de Lyncean Technologies , une startup de Palo Alto, en Californie, a réduit le synchrotron à la taille d'une pièce. Ce synchrotron miniature offre aux scientifiques une nouvelle façon d'effectuer des expériences de rayons X de haute qualité dans leurs propres laboratoires.

Radiographies à domicile : Un schéma du synchrotron miniature (en haut) montre l'injecteur de faisceau d'électrons (tube vert) et l'anneau de stockage. Le faisceau d'électrons circule autour de l'anneau et entre en collision avec une impulsion laser à chaque tour, émettant des rafales de rayons X. En bas : une vue détaillée montre les composants du synchrotron miniature, qui s'intègre à l'intérieur d'une pièce.

Lyncean a construit un prototype de synchrotron et en construit un autre qui sera installé cette année au Institut de recherche Scripps à La Jolla, Californie. Le nouveau synchrotron sera utilisé par le Centre de technologies accélérées du gène à la structure 3D , qui fait partie de la Protein Structure Initiative des National Institutes of Health.

L'instrument de table n'est pas aussi puissant que les grands synchrotrons, déclare Ronald Ruth, président et scientifique en chef de Lyncean. Mais d'un autre côté, c'est beaucoup moins cher, et c'est très compact. Il compare les synchrotrons nationaux à des superordinateurs, où de nombreux utilisateurs doivent rivaliser pour un temps limité sur l'un des faisceaux. [Les synchrotrons] répondent à l'état de l'art, dit Ruth. Ils repoussent les limites. Mais leur impact est aussi large que le nombre de personnes qui sont prêtes à voyager pour s'y rendre. Le synchrotron miniature ressemble plus à un PC, dit-il, partagé par quelques utilisateurs et facilement accessible.

Les rayons X sont utiles pour sonder les propriétés des matériaux, car leur longueur d'onde est à peu près de la même taille que les atomes et les liaisons chimiques entre eux. Par exemple, la cristallographie aux rayons X est une méthode importante pour déterminer la structure des protéines. Les rayons X se diffractent lorsqu'ils traversent un cristal de protéine, générant un motif d'interférence caractéristique. En analysant le motif, les scientifiques peuvent déduire la disposition des atomes et ainsi déterminer la structure de la protéine.

Pour ce type d'études, le rayonnement synchrotron présente des avantages par rapport aux sources de rayons X ordinaires : il est cent millions de fois plus lumineux et hautement concentré, ce qui permet des expériences très précises et à haute résolution. Les synchrotrons produisent également une source continue de rayons X, au lieu des courtes rafales générées par les tubes à rayons X courants. Et la lumière d'un synchrotron est accordable, de sorte que les chercheurs peuvent faire correspondre l'énergie au matériau à sonder.

La qualité de la lumière du synchrotron miniature est aussi bonne que celle des grosses machines, explique Franz Pfeiffer, physicien à l'Institut Paul Scherrer et à l'École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse. C'est ce qui le rend si attrayant, dit-il. [Il] combine l'avantage d'avoir quelque chose de relativement petit avec les avantages du faisceau extrêmement brillant qui est disponible grâce aux synchrotrons. C'est une très belle chose à avoir.

Ruth a déterminé pour la première fois qu'un synchrotron miniature pourrait être possible à la fin des années 1990, alors qu'il était professeur au Stanford Linear Accelerator Center. Ruth et un étudiant diplômé, Zhirong Huang, cherchaient un moyen de refroidir les faisceaux d'électrons en les faisant rayonner. Ils ont découvert que le fait de frapper les faisceaux avec un laser non seulement les refroidissait efficacement, mais générait également des rayons X.

Cet effet s'est avéré être la clé pour réduire la taille du synchrotron. Les grands synchrotrons utilisent des onduleurs magnétiques qui font bouger le faisceau d'électrons d'un côté à l'autre lorsqu'il circule autour d'un grand anneau de stockage. Ruth explique que cette agitation, de l'ordre d'un centimètre, génère des rayons X qui sont projetés sur une tangente au cercle, un peu comme un projecteur en rotation éclaire la lumière.

Le synchrotron miniature utilise uniquement une impulsion laser mobile qui interagit avec le faisceau d'électrons à chaque fois qu'il fait le tour de l'anneau de stockage, qui tient sur une table. Le tortillement est un dix millième aussi petit - juste un micromètre - et les rayons X sont émis en un seul faisceau.

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