Le pouvoir d’arrêt électronique dévoile son potentiel
Quand les ions traversent les solides, les liquides et les gaz, cela donne lieu à un phénomène de neutralisation et de perte d’énergie. Ce phénomène s’appelle l’arrêt électronique, et il est essentiel à une meilleure compréhension des propriétés de la matière, ce qui explique certainement pourquoi il a été largement étudié depuis plus d’un siècle et qu’il est désormais largement compris… Du moins lorsqu’il s’agit de systèmes proches de l’équilibre. Comprendre les systèmes dynamiques est une autre histoire, comme l’explique le professeur Emilio Artacho du Centre de recherche coopérative (CIC) nanoGUNE: «Une compréhension approfondie des systèmes quantiques dynamiques à plusieurs particules constitue, je pense, l’un des défis scientifiques majeurs du XXIe siècle. Les calculs des premiers principes – simulation quantitative et prédiction des propriétés de la matière grâce à une utilisation intensive de superordinateurs – facilitent la prédiction des propriétés de nombreux solides, liquides ou gaz à l’équilibre ou proches de l’équilibre. Mais ces calculs sont loin de répondre à la question en ce qui concerne les situations hors équilibre: nous avons une bonne idée du type de choses qui se produisent, mais nous ne pouvons pas les prédire avec précision.» Parvenir à faire de telles prédictions en vaut la peine. Les phénomènes d’arrêt électronique dans les solides constituent une étape essentielle dans les processus de dégradation par rayonnement, qui sont très importants pour comprendre et contrôler les matériaux nucléaires, l’impact des rayonnements cosmiques sur les aéronefs, les engins spatiaux et leurs équipages, ainsi que certaines formes de radiothérapie. Ayant initié une ligne de recherche sur les calculs des premiers principes pour les phénomènes d’arrêt électronique il y a plus de dix ans, le CIC nanoGUNE est leader dans ce domaine et le projet ElectronStopping (Electronic stopping power from first principles) a permis au professeur Artacho d’aller encore plus loin en essayant de simuler ces processus en temps réel. Bien que de nombreuses recherches soient encore nécessaires afin d’améliorer leurs approximations et d’inclure les effets manquants, le professeur Artacho affirme que l’approche est capable de traiter des types de systèmes très différents, allant des simples métaux à l’ADN. Le projet a réalisé des progrès sur les plans fondamental, technique et appliqué, comme il le souligne. «Du point de vue technique, nous avons établi un lien intéressant entre les équations que nous résolvons sur l’ordinateur et les espaces courbes de la relativité générale, deux domaines habituellement distants. Ce lien nous a permis de proposer de nouvelles techniques numériques pour améliorer nos calculs. Nous avons également été en mesure de caractériser les phénomènes d’arrêt électronique dans des systèmes variés, des semi-conducteurs aux métaux de transition, et nous avons étudié la réponse (à faible énergie) de l’eau liquide aux ions carbone, utilisée en thérapie ionique.» Parallèlement à ces avancées, le projet a prévu une instabilité dynamique inattendue dans ces processus. «Jusqu’à présent, toutes les théories relatives à l’arrêt électronique ont supposé et s’attendaient à une sorte de régime stationnaire par lequel les ions perdent leur énergie en douceur. Mais nos calculs ont montré un effet de “battement” inattendu au niveau des électrons profonds liés à un ion projectile lourd – une oscillation analogue au battement d’un drapeau dans un vent constant. Cela aurait des liens profonds avec d’autres systèmes hors équilibre.» En renforçant notre compréhension des processus de dégradation par rayonnement, ElectronStopping permet aux chercheurs de contrôler ou d’améliorer la protection contre ces derniers. Bien que le professeur Artacho admette qu’il est difficile de prévoir la manière dont la société utilisera les résultats du projet, il espère que les ingénieurs et les entrepreneurs réfléchiront rapidement aux produits commercialisables. Un projet complémentaire, appelé ESC2RAD, a déjà démarré avec un financement obtenu dans le cadre d’Horizon 2020. Les techniques d’ElectronStopping y seront appliquées, pour la caractérisation des processus de dégradation par rayonnement liés à l’exploration de l’espace, aussi bien dans les conditions rencontrées à bord des engins spatiaux que dans celles régnant à la surface de Mars. Le professeur Artacho et son équipe développeront également de nouveaux cadres théoriques pour mieux comprendre les phénomènes d’arrêt électronique.
Mots‑clés
ElectronStopping, dégradation par rayonnement, arrêt électronique, radiothérapie, déchets nucléaires
