Grands instruments de recherche

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI simulent et modélisent de grandes installations de recherche, mais aussi certaines expériences, par exemple en sciences des matériaux et en sciences de la vie. Andreas Adelmann, directeur du Laboratoire de simulation et modélisation, explique comment ils procèdent.

En combinant théorie, modélisation et calculs à haute performance, les chercheurs du Laboratoire de simulation et modélisation de l’Institut Paul Scherrer PSI résolvent les problèmes les plus complexes. De puissants ordinateurs leur permettent de simuler aussi bien les molécules les plus minuscules que les grandes installations de recherche.

Les analyses de structures minuscules aux grandes installations de recherche du PSI engendrent d’énormes volumes de données. Au Centre suisse de calcul scientifique CSCS, sis à Lugano, les données sont archivées et les chercheurs utilisent le superordinateur du lieu pour leurs simulations et leurs modélisations. 

Au cours des prochaines années, la Source de Lumière Suisse SLS fera l’objet d’un upgrade: la SLS 2.0. Cette transformation rendue possible par de la technologie dernier cri donnera une grande installation de recherche à la hauteur des besoins des chercheurs pour les prochaines décennies.

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont filmé une machine moléculaire en mouvement grâce à la Source de Lumière Suisse SLS, et ainsi révélé comment fonctionne la production d’énergie au niveau des cellules membranaires. Ils ont développé à cet effet une nouvelle méthode qui pourrait permettre des succès inédits dans l’analyse des processus cellulaires.

Une prestigieuse bourse de l’Union européenne a été décernée à une équipe incluant trois chercheurs du Domaine des EPF. Les scientifiques ont reçu aujourd’hui le contrat signé de l’UE qui confirme ce financement exceptionnellement important de 14 millions d’euros. Ce montant va leur permettre d’étudier certains effets quantiques qui pourraient constituer l’épine dorsale de l’électronique du futur.

Comment fonctionnent les cellules solaires à colorant? Et que se cache-t-il derrière la brillance des nouveaux écrans de smartphones? Les impulsions ultracourtes de rayons X du SwissFEL lèvent le voile sur les réactions qui se jouent au cœur de ces dispositifs et devraient rendre les appareils plus efficaces et meilleur marché.

L'industrie de l'électronique attend d'un nouveau type de transistor de puissance en nitrure de gallium qu'il offre des avantages considérables par rapport aux transistors à haute fréquence qui sont utilisés aujourd'hui. Mais de nombreuses propriétés fondamentales du matériau ne sont pas encore connues. Pour la première fois, des chercheurs du PSI ont visionné un flux d'électrons dans le transistor en question. Pour ce faire, ils ont utilisé une des meilleures sources de rayons X mous au monde, qui se trouve à la Source de Lumière Suisse SLS du PSI.

Par rapport aux modèles actuels, les mémoires informatiques fabriquées à partir de certains matériaux novateurs devraient permettre d'enregistrer les informations beaucoup plus rapidement et dans un espace plus restreint, en consommant nettement moins d'énergie. Les séquences filmées au moyen du laser à rayons X montrent ce qui se passe au cœur de ces mémoires informatiques potentielles et comment optimiser les processus au cours desquels le matériau commute entre deux états.

Les chercheurs du PSI veulent utiliser le laser à rayons X SwissFEL pour réaliser des films qui présenteront des biomolécules en action. Ces productions montreront comment fonctionne notre œil ou quel est le mode d’action de nouveaux médicaments.

Les méticuleuses années de planification et de construction ont porté leurs fruits: la première expérience conduite à la nouvelle grande installation de recherche de l’Institut Paul Scherrer PSI, le laser à rayons X à électrons libres SwissFEL, a été un succès. Ce faisant, deux objectifs ont été atteints: d’un côté l’obtention d’un nouveau résultat scientifique, de l’autre une optimisation de l’interaction entre les nombreux composants de cette installation extrêmement complexe.

Un laser à rayons X à électrons libres permet d'observer certains processus extrêmement rapides. Les premières expériences pilotes au laser suisse à rayons X à électrons libres SwissFEL auront lieu au PSI fin 2017. Deux articles récemment parus dans les revues spécialisées Science et Nature Communications mettent en évidence l'excellence scientifique que de telles installations rendent possible. Les travaux ont été conduits au laser à rayons X à électrons libres LCLS en Californie. Entre-temps, deux des principaux auteurs de ces publications ont intégré le PSI en tant que scientifiques pour contribuer par leur expérience au développement du SwissFEL.

En tant que composants fondamentaux de la matière, les protons sont partie intégrante des choses qui nous entourent. Mais à l’Institut Paul Scherrer PSI, ils abandonnent leur rôle habituel et sont utilisés pour produire d’autres particules, les neutrons et les muons, qui sont ensuite étudiés pour analyser certains matériaux. Pour pouvoir être exploités de la sorte, les protons doivent d’abord être accélérés. Une installation accélératrice en trois étapes joue un rôle important dans ce processus. C’est au milieu de cette installation que se trouve l’accélérateur Injecteur 2.

L’entreprise Daetwyler a construit les onduleurs du laser à rayons X à électrons libres SwissFEL de l’Institut Paul Scherrer PSI avec une précision de l’ordre du dixième de l’épaisseur d’un cheveu.

Matériaux pour l’électricité du futur, accumulateurs, épées de l’âge du bronze: cela fait 20 ans que les chercheurs de diverses disciplines utilisent la Source de neutrons à spallation SINQ.

Les premières expériences pilote au laser à rayons X à électrons libres SwissFEL démarrent cette année. La lumière de type rayons X générée par le SwissFEL permettra de conduire un large spectre d’expériences. Dès 2020, une deuxième ligne de faisceau assurera une diversité encore plus importante.

Aujourd’hui, 5 décembre 2016, le PSI a solennellement inauguré son nouveau grand instrument de recherche, le SwissFEL, en présence du président de la Confédération Johann Schneider-Ammann.

Cette année, le prix Nobel de physique a été décerné à David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz. Dans son rapport de synthèse, l’Académie royale des sciences de Suède cite également des expériences menées par Michel Kenzelmann, aujourd’hui responsable de laboratoire au PSI. Avec d’autres chercheurs au PSI, ce physicien continue de mener des expériences sur la base des théories qui sont récompensées aujourd’hui par le prix Nobel.

24 août 2016, bâtiment du SwissFEL: dans la salle de contrôle au-dessus du canal de faisceau du laser à rayons X à électrons libres SwissFEL, l’atmosphère et concentrée et tendue. L’équipe emmenée par Marco Pedrozzi s’est fixé un objectif ambitieux pour cette fin d’après-midi d’août. Les derniers ajustements ont été opérés, le moment est venu d’appuyer sur le gros bouton et de mettre en service la source d’électrons. Leur but: que le SwissFEL produise ses premiers électrons. Reportage.

Les protéines sont des composants indispensables à la vie. Elles jouent un rôle décisif dans de nombreux processus biologiques. Des chercheurs ont maintenant réussi à montrer comment étudier les processus ultrarapides au cours desquels les protéines effectuent leur travail, en utilisant un laser à rayons X à électrons libres comme le SwissFEL à l’Institut Paul Scherrer PSI. Les lasers à rayons X à électrons libres produisent des impulsions extrêmement brèves et intenses de lumière de type rayons X. Dans le monde, seules deux installations de ce type sont actuellement en service. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue scientifique Nature Communications.