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Patrizio Antici

Interaction laser-matiere et applications

Acceleration des particules et applications

Intérêts de recherche

English (Research interests)
 
Mes recherches actuelles visent à paramétrer et à améliorer des faisceaux de protons et d’électrons accélérés par laser afin de leur donner diverses applications. Chaque recherche touche un champ d’application particulier allant des nanosciences et technologies à la biomédecine, en passant par la femtochimie et la science des matériaux. Les travaux seront réalisés en collaboration avec d’autres groupes éminents. Ils comportent quatre volets :
 
1 Génération de faisceaux de protons ultralumineux et ultracourts par laser-plasma et applications : La génération par laser d’un faisceau de protons maîtrisable aux paquets sub-ps et de courant kA ouvrirait la voie à des applications inédites. Pour trouver les composants essentiels d’un tel faisceau, j’étudie le bombardement de différentes cibles (cible cryogénique, bande de cible, bande de tableau, cible nanostructurée), la manipulation et le transport du faisceau (sélecteur d’énergie, dispositif de concentration) et les diagnostics (spectromètres à taux de répétition élevé, mesures en temps réel). 
 
1a Synthèse de nanocristaux de précision subnanométrique : La production courante de nanocristaux à la forme, aux dimensions et à la cristallinité contrôlées est un défi industriel de taille qui revêt une importance stratégique dans de nombreux champs d’applications, notamment en électronique et en médecine. En bombardant une cible de particules très énergétiques (en particulier des protons), on obtient la température et la pression nécessaires à la synthèse de structures cristallines. La courte durée de l’impulsion limite la durée de la nucléation à l’intervalle ps-ns, interrompant le processus dans sa phase cristalline et prévenant l’agrégation de structures amorphes. Partant de ces propriétés, je me penche sur l’utilisation de protons générés par laser comme moyen de synthétiser des surfaces nanostructurées et des solutions colloïdales dont les nanomatériaux sont des cristaux de forme, de dimensions et de cristallinité bien définies à l’échelle nanométrique.
 
1b Spectroscopie neutronique des molécules biologiques en nanosecondes : Dans le cadre de ce sous-projet, j’explore l’utilisation d’un flux élevé de paquets de protons ultracourts sur mesure accélérés par laser pour provoquer une salve de neutrons à impulsions courtes, à énergie et à flux élevés. Ces neutrons peuvent à leur tour être utilisés pour analyser des molécules dans une résolution temporelle plus élevée d’au moins trois ordres de magnitude que le permettent les méthodes actuelles. Ces données beaucoup plus précises sur les dynamiques moléculaires, et partant, sur bien des systèmes biologiques, pourraient apporter d’énormes avantages dans des domaines comme la pharmacologie, la médecine, l’agriculture, la botanique et la zoologie. 
 
1c Tests de résistance matérielle pour les applications spatiales : Grâce à l’énergie élevée des protons générés par laser, nous arrivons à reproduire des températures et des pressions similaires à celles de l’espace ou de la fusion.
 
2 Diffraction d’électrons à l’échelle subatomique femtoseconde : La diffraction d’électrons ultrarapide est très prometteuse pour l’étude de dynamiques structurelles en 4D. Alliant haute résolution spatiale (échelle subatomique, soit 8 à 10 pm) et haute résolution temporelle (échelle des réactions chimiques, soit moins de 50 fs), elle permet l’analyse en ligne des changements structurels et de la redistribution de l’énergie dans de nombreux systèmes chimiques et biologiques. Je m’intéresse aux électrons à énergie et à flux élevés accélérés par laser dans une résolution temporelle de l’ordre des femtosecondes pour réaliser des expériences de diffraction d’électrons. Ce degré de précision permet d’étudier pour la toute première fois l’évolution d’une multitude de systèmes biologiques et chimiques (réactions chimiques, fusion des matériaux, croissance des nanomatériaux, évolution de l’ADN et de l’ARN, etc.). À l’heure actuelle, ces systèmes sont observés par méthode indirecte en raison de l’absence de techniques d’analyse directes à des échelles spatiale et temporelle aussi petites.
 
3 Laser à électrons libres ultracompact et ultracourt : En injectant dans des onduleurs des électrons très énergétiques (>300 MeV) générés par laser ultracourt (fs), il est possible de produire un rayonnement laser à électrons libres ultracourt et ultralumineux pour la diffraction d’électrons et les études biomoléculaires à haute résolution. À ce jour, les installations capables de produire un rayonnement à impulsions plus longues demeurent gigantesques, coûteuses et rares (p. ex. la LCLS). Une solution compacte aux paramètres améliorés faciliterait l’essor du domaine et l’apparition de nouvelles applications.

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