La dernière pièce du puzzle

Le laser à rayons X à électrons libres SwissFEL au PSI permettra à l'avenir de visualiser en détail des processus ultrarapides, que ni l'œil humain ni une caméra ne sont capables de capter. Cela suppose des détecteurs hautement spécialisés, qui sont pour ainsi dire les yeux de la nouvelle installation. Julia H. Smith vient d'Allemagne et travaille au développement de l'un de ces détecteurs. Après son doctorat à Amsterdam, la jeune femme a décidé de venir travailler comme post-doctorante – ou post-doc – à Villigen. Pour elle, cet échange dans le domaine de la recherche est extrêmement important. Le travail que j'effectue ici, au sein de ce groupe spécialisé dans les détecteurs, c'est la pièce du puzzle qui me manquait encore, explique-t-elle. Dans le cadre de la recherche qu'elle menait jusqu'ici, Julia Smith avait exploré en long et en large l'application pratique des détecteurs à pixels. Au PSI, la physicienne revient à présent un pas en arrière, et se concentre sur le tout début, c'est-à-dire la phase de développement du détecteur.

Aussi monumental que le sommet du même nom

Développer depuis le début un appareil destiné à une utilisation bien particulière est une tâche instructive, mais surtout extrêmement exigeante. Car les détecteurs à pixels sur lesquels planche Julia Smith impliquent une technologie miniaturisée très complexe. De la construction de chaque composant à celle des premiers prototypes, précision et savoir-faire sont requis. Un détecteur à pixels est composé de nombreux pixels minuscules. Chacun d'entre eux est capable de capter des signaux, plus précisément des particules lumineuses de rayons X. C'est au moyen de ces particules lumineuses que des molécules seront étudiées au SwissFEL, et qu'il sera possible de visualiser chaque étape d'une réaction chimique, c'est-à-dire le déroulement de la liaison entre deux atomes ou deux molécules. Les molécules dévient la lumière de sa trajectoire rectiligne. Puis les particules atteignent les détecteurs, qui transmettent à un ordinateur l'information de leur déviation. A partir de ces informations, celui-ci calcule des images, qui, mises côte à côte, donnent à voir le déroulement de la réaction.

Pour Julia Smith, un détecteur à pixels est un objet aussi familier qu'un smartphone pour la plupart des gens. Mais elle ne bombarde pas pour autant son auditoire de termes spécialisés. Enseignante à l'iLab, le laboratoire pour écoliers du PSI, elle est capable d'expliquer le mode de fonctionnement d'un détecteur, comme s'il s'agissait de la chose la plus simple du monde. Alors que le modèle Jungfrau, auquel elle travaille actuellement, a nécessité en tout cinq ans de développement. Les exigences sont élevées : cette Jungfrau doit pouvoir capter simultanément un spectre allant de une à 10'000 particules lumineuses. Il s'agit donc d'une œuvre monumentale, qui a plus que mérité d'être baptisée d'après le sommet éponyme des Alpes bernoises. C'est le genre de projet que l'on ne peut réaliser qu'en équipe, souligne Julia Smith. Alors que l'un de ses collègues s'occupe par exemple du design de la plaquette à pixels – c'est-à-dire de la puce du détecteur –, un autre est spécialisé dans le fonctionnement de la lecture d'informations.

Test réussi, détecteur opérationnel

La chercheuse allemande, elle, est responsable au sein de l'équipe de tester la puce. Elle mène ces essais au moyen d'un petit laser conçu à cet effet, dans son laboratoire ou à la SLS, l'un des grands instruments de recherche au PSI qui produit des rayons X intenses. Comment les pixels réagissent-ils à la lumière laser ? Comment transmettent-ils les informations ? Est-ce que tout fonctionne comme prévu ? Autant de points que Julia Smith vérifie. Elle vient de tester le second prototype de la Jungfrau, et celui-ci a passé l'épreuve. Le détecteur est opérationnel pour SwissFEL, se réjouit-elle. Il s'agit maintenant de produire le détecteur final et de le tester, lui aussi.

Julia H. Smith a de bonnes chances d'accompagner son détecteur jusqu'à l'application dans la nouvelle installation pendant qu'elle sera encore au PSI. Mais ce qui compte pour moi, plus encore que de vivre les premières expériences, c'est d'assimiler le plus de connaissances possibles pendant mon post-doctorat, dit-elle. Après tout, relève-t-elle encore, le but, c'est d'apprendre. Car pour la suite, la chercheuse a bien l'intention de rester dans le domaine des détecteurs et du développement de technologies. Que ce soit dans l'industrie ou dans un autre institut de recherche. Elle est irrévocablement passionnée par la thématique des détecteurs à pixels. Les détecteurs me fascinent, car chacun de ces minuscules pixels est une petite machine à calculer qui, une fois mise en réseau avec toutes les autres, est capable d'une performance folle, explique-t-elle. Une chose est sûre : après son post-doctorat au PSI, son bagage pour poursuivre le développement de ces systèmes complexes sera complet.

Texte : Simone Nägeli