Antoine Maitrallain
De Saclay à Nantes en passant par l’Écosse et Bordeaux, l’épopée d’Antoine Maitrallain le ramène inlassablement à la même question : comment faire passer l’accélération des particules au niveau supérieur par le biais d’une méthode novatrice dénommée « accélération laser-plasma » ? Cette technique, que l’enseignant chercheur à Subatech (CNRS / IMT Atlantique / Nantes Université) ne cesse d’optimiser et d’améliorer depuis sa thèse, permet d’accélérer des particules sur des distances mille fois plus courtes que dans des accélérateurs classiques par le biais d’un très puissant laser. Elle pourrait à terme donner naissance à des accélérateurs de particules très compacts, aux applications majeures dans le domaine de la biologie ou de la médecine. À la frontière entre recherche fondamentale et applications, empreints d’une démarche interdisciplinaire, les procédés mis en œuvre par Antoine Maitrallain continuent de faire évoluer pas à pas cette technologie dans laquelle les scientifiques placent beaucoup d’espoirs.
C’est en thèse au CEA Saclay qu’Antoine Maitrallain plonge dans le domaine encore en plein essor de l’accélération laser-plasma. Le principe, imaginé dès la fin des années 1970, consiste à bombarder un milieu gazeux, liquide ou solide avec un laser ultra-intense pour générer un plasma. Cet état particulier de la matière, où les atomes baignent dans une soupe d’électrons et voguent librement, présente un intérêt majeur dans le domaine des accélérateurs de particules. « Dans un accélérateur classique, nous sommes limités par ce qu’on appelle le « phénomène de claquage ». Lorsque les différences de potentiel atteignent un certain niveau, il se produit une décharge similaire à un éclair pendant un orage, qui au mieux inhibe l’accélération et au pire détruit l’instrument. Dans les milieux ionisés comme les plasmas, les claquages sont impossibles physiquement. Et cette limite disparaît », explique l’enseignant chercheur à Subatech. Résultat il devient possible de générer des champs accélérateurs bien plus intenses, et des dispositifs potentiellement mille fois plus compacts.
Concrètement, tout se joue sur quelques millimètres. Un laser, comprimé en impulsions de quelques dizaines de femtosecondes, est envoyé dans un milieu solide, liquide ou gazeux — souvent de l’hydrogène ou de l’hélium dans le cas du gaz — placé sous vide. « Le laser crée le plasma en arrachant les électrons aux atomes du milieu, et interagit avec ce milieu quasiment en même temps », précise-t-il. Les électrons du plasma sont alors accélérés à très haute énergie.
Il se familiarise avec cette technologie d’avenir à la faveur de sa thèse au CEA en participant à la mise en place d’un dispositif expérimental basé sur une cellule de gaz bombardée par les photons du puissant laser UHI-100. « Dans le cadre de ma thèse, nous avons pu démontrer que le principe basé sur la cellule de gaz fonctionnait et produisait les faisceaux attendus que l’on a couplé à une ligne de transport magnétique, ce qui a contribué à des recherches ultérieures sur la possibilité « d’empiler » les dispositifs d’accélération laser-plasma, c’est à dire de les adjoindre bout à bout pour démultiplier leurs effets et ainsi, augmenter l’énergie cinétique des faisceaux d’électrons ».
Après la thèse, il s’envole vers l’Université de Strathclyde, en Écosse, pour un post-doctorat auprès d’un nouveau laser où il explore une autre facette de ces faisceaux : leurs applications en biologie. L’idée est de mobiliser un dispositif d’accélération laser-plasma pour irradier des cellules. Il lui faut alors concevoir un aimant capable de dévier à 90° le faisceau de particules de son plan horizontal pour bombarder par le haut les échantillons de cellules. Mais ce n’est pas tout. Dans le cadre de ses recherches à Glasgow, il s’est intéressé de près à la forme en anneaux des faisceaux d’électrons générés par l’accélération laser-plasma. « Ce phénomène avait été étudié auparavant mais les publications aboutissaient à des explications différentes. Grâce à de l’analyse poussée de données expérimentales et à des simulations numériques nous avons pu en donner une interprétation claire ».
De retour en France, au LP2IB, Antoine Maitrallain change encore de perspective à l’occasion d’un deuxième post-doctorat. Cette fois, il s’intéresse à l’accélération d’ions par laser, notamment de protons, pour des applications en physique nucléaire. L’enjeu : reproduire en laboratoire des conditions similaires à celles des étoiles, où température et pression pourraient modifier certaines réactions nucléaires. « Un laser de puissance peut créer un plasma chaud et dense, comme une flamme de plusieurs millions de degrés, d’une densité largement supérieure à celle du plomb, pendant un temps très court et ainsi, simuler l’environnement interne des étoiles », commente-t-il. Une fois ce milieu proche de l’environnement stellaire recréé en laboratoire, un deuxième laser est utilisé pour, cette fois, accélérer des ions et étudier les réactions nucléaires dans ces conditions de pression et température extrêmes. Mais pour atteindre de telles états de la matière, la puissance de la brève impulsion laser doit être gigantesque (plusieurs milliers de fois celle que pourrait délivrer une centrale nucléaire).
Or, dans les dispositifs d’accélération laser-plasma sur jets de gaz dense, le faisceau laser est souvent dégradé en amont de la cible par des volutes de gaz parasitant le milieu, ce qui réduit son énergie et ainsi, celle des particules accélérées. C’est là qu’intervient Antoine Maitrallain. Il explore la possibilité de se débarrasser de ce gaz parasite à l’aide d’un premier tir laser de puissance relativement faible, avant d’envoyer l’impulsion accélératrice. « C’est une technologie que nous avons fait progresser localement et que nous avons pu tester en nous appuyant sur des installations laser à travers la France et l’Europe, mais qui n’était pas encore mâture à la fin de mon post-doc. Des résultats prometteurs ont été obtenus, mais il faudra continuer les efforts avant qu’elle ne booste les performances de l’accélération laser-plasma », reconnaît-il.
Le séjour bordelais d’Antoine est aussi l’occasion de s’initier à la production de radioisotopes – des noyaux instables aux multiples applications – en utilisant des particules accélérées par laser. Il sent tout le potentiel de cette technologie pour le domaine de la médecine nucléaire, où ces noyaux sont notamment mobilisés dans le cadre du diagnostic et de la thérapie contre le cancer. « Les isotopes médicaux peuvent être produits en bombardant les atomes d’une cible avec des ions ou des rayonnements gammas. Mais les dispositifs de productions classiques sont souvent très spécialisés, coûteux ou volumineux pour les installations médicales. L’accélération laser-plasma pourrait éliminer certains de ces problèmes ». Il propose ainsi à l’équipe impliquée dans son laboratoire de se lancer dans l’aventure d’un projet de financement européen (programme Pathfinder de l’European Innovation Council) sur cette thématique. L’équipe soumet une première version du projet EUROPA (lasEr-driven Universal Radio-isOtope Production Accelerator) non retenue mais suffisamment bien évaluée pour ne pas en rester là.
À partir de 2024, Antoine Maitrallain, tout juste nommé maître de conférences à Subatech et IMT Atlantique, profite des compétences de sa nouvelle équipe qui collabore avec ARRONAX, un accélérateur de particules conventionnel dédié à la production de radioisotopes médicaux pour peaufiner son projet. « L’axe de recherche consistant à utiliser l’accélération laser-plasma pour produire ces isotopes fait alors son chemin à Subatech », souligne-t-il. Et cette fois, c’est la bonne : la version du projet EUROPA enrichie de la contribution nantaise prend place parmi les 2.1% des projets soumis qui ont été sélectionnés par l’EIC en 2025 avec la note parfaite de 15/15 !
Dans le détail, l’ambition du projet EUROPA est de démontrer que les faisceaux issus de l’accélération laser-plasma peuvent produire des isotopes médicaux avec une pureté suffisante pour des applications de recherche, en réduisant les contaminants. « Contrairement aux accélérateurs classiques, qui accélèrent toutes les particules à la même énergie, les faisceaux laser-plasma contiennent un mélange de particules accélérées à des énergies différentes. Et cela peut générer des isotopes indésirables. », précise Antoine Maitrallain qui coordonne le projet depuis 2026.
Pour contourner cet obstacle, le projet EUROPA mise sur des cibles gazeuses, capables de produire des faisceaux dont la gamme spectrale serait plus étroite, permettant une sélection fine des réactions nucléaires les plus pertinentes. « On combine simulations et expériences pour identifier les meilleures voies de production », explique-t-il. Si les quantités produites restent limitées, les applications visées sont prometteuses, notamment pour des études précliniques.
Les financements européens n’étant acquis que depuis quelques mois, le projet collaboratif en est encore à ses débuts, et tout reste à faire : « Coordonner un projet européen impliquant six pays et onze bénéficiaires (soit une cinquantaine de personnes) représente un défi en soi. Il faut faire en sorte que tout le monde regarde dans la même direction, et ce sera ma mission au cours des prochaines années », souligne-t-il. Un travail exigeant mais stimulant, à l’image de son parcours.
Car au fond, ce qui motive Antoine Maitrallain reste constant : « C’est vraiment cette dimension d’apprentissage permanent qui me comble le plus en tant qu’enseignant chercheur. A travers une thématique qui me suit depuis mes débuts, j’ai affiné mes connaissances en physique nucléaire et des accélérateurs mais aussi dans les technologies lasers, et j’ai aussi découvert des sujets pointus en dehors de mon champ de compétence initial, en biologie et en médecine notamment. Cette diversité est une vraie source d’énergie dans ma carrière », termine-t-il.