Que l'on ne se méprenne pas: l'installation de recherche que l'on aperçoit sur le site de l'Institut Paul Scherrer n'est pas une soucoupe volante! Ce bâtiment, à l'architecture peu banale, abrite des équipements capables de produire un rayonnement X de premier ordre qui permet de plonger au cœur de la matière. Des chercheurs du monde entier viennent donc y étudier l'infiniment petit, pour ensuite développer de nouveaux matériaux ou médicaments.

Oliver Bunk dans la SLS: la halle d’expérimentation mesure plus de 130 mètres de diamètre. Des dalles en béton recouvrent l’accélérateur de particules. Chaque seconde, des milliards d’électrons y font un million de tours. Quand ils sont déviés par des aimants, ils émettent de la lumière synchrotron. (Photo: Kellenberger Kaminski Photographie)

Les radars fonctionnent avec les très grandes longueurs d'onde. «Ils permettent de suivre l'arrivée d'un bateau ou d'un avion», explique Oliver Bunk, physicien. «Pour voir des cristaux, des molécules ou des atomes, il faut un rayonnement X d'une très courte longueur d'onde.» C'est exactement ce que produit la Source de Lumière Synchrotron Suisse, abrégée SLS, à l'Institut Paul Scherrer (PSI) de Villigen, en Argovie. Directeur du laboratoire de macromolécules et de bio-imagerie, Oliver Bunk veille entre autres à ce que les chercheurs venus exploiter la SLS bénéficient d'excellentes conditions de travail.

«Le PSI met de grandes installations à la disposition des chercheurs de Suisse et du monde entier. Nous développons, construisons et gérons ces installations», indique le physicien et directeur de recherche. «Étant donné que nos scientifiques ont participé à toutes les différentes étapes et que nous perfectionnons sans cesse nos méthodes, la SLS est l'une des meilleures installations de ce type au monde.» Les créneaux d'expérimentation sont très disputés. L'installation fonctionne déjà 24 h/24 et on pourrait doubler, voire quadrupler sa capacité. «Même si vous venez ici un dimanche à trois heures du matin, vous rencontrerez du monde», rapporte Oliver Bunk. Les chercheurs du monde entier sont encadrés par des scientifiques du PSI qui connaissent parfaitement l'installation.

Photo: Kellenberger Kaminski Photographie

Le cœur de la SLS, c'est un accélérateur de particules qui amène les électrons quasiment à la vitesse de la lumière. D'épaisses dalles de béton recouvrent l'anneau de stockage des électrons qui mesure presque 300 mètres de circonférence et a donné au bâtiment sa forme ronde. Concentrés, les électrons filent à toute allure dans un tube à vide, jusqu'à ce qu'ils soient déviés par des aimants disposés en 16 points et émettent de la lumière – «un effet relativiste selon Einstein», précise Oliver Bunk. Cette lumière dite synchrotron est encore amplifiée et concentrée dans une bonne moitié des 16 lignes de lumière, jusqu'à ce qu'un rayon X extrêmement stable, deux fois plus fin qu'un cheveu, arrive aux cabines.

Des puces d'ordinateur moins gourmandes en énergie

Les scientifiques se servent de ce rayonnement X brillant pour étudier de nouveaux matériaux pour des puces d'ordinateur, par exemple. Les moteurs de recherche d'Internet ou les réseaux sociaux nécessitent des centres de calcul qui consomment autant d'énergie qu'une grande ville. Si l'on parvient à remplacer les semi-conducteurs des micropuces par un nouveau matériau supraconducteur, on pourra économiser beaucoup d'électricité. Mais actuellement, il faut amener ces matériaux à de très basses températures pour qu'ils conduisent le courant sans résistance et sans pertes. Aux températures de fonctionnement normales, le courant circule difficilement.

Photo: Kellenberger Kaminski Photographie

Une équipe du PSI, en association avec des collègues de l'ETH Zurich et de l'institut de recherche japonais RIKEN, en a étudié les causes. Les scientifiques ont examiné aux rayons X un échantillon de matériau composé d'oxydes, c'est-à-dire de liaisons complexes de métaux et d'oxygène. À l'aide de la lumière synchrotron, ils ont pu mesurer le flux de courant à l'interface entre les deux oxydes et constater à quel point la structure du matériau se déformait. À basses températures, ce même phénomène aboutit à la supraconduction.

Ces découvertes, publiées par l'équipe dans la revue spécialisée «Nature Communications» en janvier 2016, aideront à modifier de façon ciblée des matériaux similaires afin qu'ils conduisent le courant sans pertes, même à des températures plus élevées. L'une des scientifiques du PSI qui a participé à l'étude travaille à présent à l'Empa. «Ne vous attendez pas à trouver des micropuces fabriquées à partir de tels matériaux dans votre ordinateur ou smartphone dès l'année prochaine», prévient le spécialiste. «Ici, nous faisons avant tout de la recherche fondamentale qui ne sera payante que dans dix, voire vingt ans.»

De meilleurs médicaments

Oliver Bunk travaille surtout dans le domaine de l'imagerie, utile tant en biologie et en médecine qu'en sciences des matériaux. «C'est fascinant de voir comment la nature compose des os ou des dents, notamment, à partir d'éléments très simples et les structure pour qu'ils répondent aux plus hautes exigences de qualité», s'émerveille le physicien. Avec des spécialistes de médecine dentaire, il a pu constater comment des microfissures étaient stoppées sur les couches des dents – d'où la stabilité du matériau. L'étude d'échantillons osseux doit aider à développer de meilleurs implants ou de meilleurs médicaments pour le traitement de l'ostéoporose. Les spécialistes de biomédecine de l'ETH Zurich font eux aussi partie des utilisateurs réguliers de l'installation.

Depuis l'entrée en service de la SLS en 2001, des biologistes s'en servent pour déterminer la structure des protéines. «Ces molécules complexes sont de petites machines dans notre corps qui participent à toutes les fonctions vitales», explique Oliver Bunk. La recherche fondamentale s'intéresse aux protéines, tout comme la médecine et l'industrie pharmaceutique car bon nombre de maladies sont dues à des dysfonctionnements des molécules protéiques. Déterminer la structure de ces molécules aide à mieux comprendre ces maladies et à développer de nouveaux médicaments. Une ligne de lumière a été financée moitié par Novartis et Hoffmann La Roche, moitié par la société allemande Max Planck. Le PSI en a construit une autre en association avec des entreprises pharmaceutiques suisses et internationales.

«Nous sommes particulièrement performants en biologie structurelle», confirme Oliver Bunk. L'une des premières lignes de lumière mises en service détient même un record: elle a permis aux scientifiques européens de déterminer la plupart des structures protéiques que l'on retrouve, à présent, dans une base de données internationale.

Un microscope en 3D rend visibles des détails de la taille de quelques nanomètres – grâce à la lumière synchrotron. L’échantillon n’est pas détruit. (Photo: Kellenberger Kaminski Photographie)

Les chercheurs du PSI viennent de développer un microscope en 3D qui représente des échantillons à la manière d'un tomographe, sans les détruire. La lumière synchrotron atteint une résolution de l'ordre du nanomètre (un millionième de millimètre). Une photo dans la halle montre la fine structure de verre poreux. «Si cette image était celle d'un cheveu humain, elle remplirait toute la pièce», précise Oliver Bunk. Le microscope 3D permet notamment d'étudier la croissance cellulaire de prélèvements de tissus.

Une spin-off fournit des détecteurs

Le PSI a également enregistré de beaux résultats avec le développement de nouveaux détecteurs de rayons X. «Longtemps, nous avons eu des sources brillantes de rayons X et fait de bonnes expériences, mais il nous manquait une caméra ultrarapide capable de documenter précisément ce qui se passait», raconte le physicien. Les scientifiques du PSI, qui avaient construit un détecteur pour le CERN, le centre de physique des particules de Genève, ont profité de l'expérience acquise dans ce cadre. Les idées ont pu être reprises, même si le développement a duré des années. La spin-off Dectris a été fondée en 2006. Aujourd'hui, cette entreprise de Baden-Dättwil emploie plus d'une soixantaine de collaborateurs et vend ses appareils dans le monde entier. «Ces détecteurs de rayons X ont révolutionné la recherche», confirme Oliver Bunk.

«Pour le moment, nous sommes encore bien placés sur la scène internationale», poursuit l'expert. Mais une nouvelle génération de sources de lumière synchrotron est en préparation. Pour rester parmi les meilleurs au monde, le PSI prévoit une mise à niveau, appelée SLS 2.0. C'est d'ailleurs l'un des projets stratégiques du Domaine des EPF. «Mais ça ne veut pas dire que nous allons tout raser», rassure Oliver Bunk. L'idée est de remplacer la source de lumière, c'est-à-dire l'accélérateur. «Nous conserverons les lignes de lumière, qui constituent une part considérable du travail et du capital financier», indique le physicien.