Le faisceau d'une lampe de poche traversant un verre dépoli se transforme en une tache floue à chaque millimètre d'épaisseur supplémentaire. C'est à peu près ce qui se passe avec les scintillateurs, ces matériaux qui convertissent les rayons X en lumière visible. Ils sont à la base des images médicales, de l'inspection des bagages et des détecteurs dans les accélérateurs. Un scintillateur épais capture presque tous les quanta de rayons X (particules de lumière), mais la lumière générée à l'intérieur se disperse sur les côtés, et les petits détails de l'image se perdent. Un scintillateur mince donne une image nette mais laisse passer la moitié du rayonnement. Les ingénieurs cherchent depuis des décennies à briser ce cercle vicieux.
Les auteurs de la nouvelle étude ont trouvé la solution dans la structure même du matériau. Ils proposent de fabriquer le scintillateur non pas en bloc continu, mais sous forme de cristal photonique tridimensionnel, un réseau périodique de minuscules pores ou piliers dont l'espacement est comparable à la longueur d'onde de la lumière. Ce réseau agit comme un système de miroirs : il empêche la lumière de dévier sur les côtés. L'effet est appelé supercollimation : le faisceau traverse le cristal presque sans s'élargir, comme un train sur des rails. La modélisation montre que la résolution peut être améliorée d'un facteur dix par rapport à un scintillateur classique de même épaisseur.
Pour vérifier l'idée, les scientifiques ont construit un modèle informatique multicouche. Ils ont d'abord calculé comment la lumière se déplace dans la nanostructure, puis ont lancé des millions de particules virtuelles de rayons X et suivi leur destin, de l'absorption à l'émission de l'impulsion lumineuse. Il s'avère que le cristal supercollimateur augmente nettement l'efficacité quantique de détection (DQE), une mesure de la capacité du détecteur à transmettre les petits détails. Le gain est particulièrement marqué aux hautes fréquences spatiales, c'est-à-dire là où il faut distinguer de fines veinures ou des microfissures. Résultat pratique : on peut obtenir la même qualité d'image avec une dose de rayons X dix fois plus faible que d'habitude.
L'idée de contrôler la lumière directement à l'intérieur du détecteur ouvre la voie à une nouvelle génération d'appareils à rayons X. Moins de dose, c'est plus sûr pour le patient ; plus de netteté, c'est un diagnostic plus précis. Et surtout, les ingénieurs peuvent désormais concevoir non seulement la composition du scintillateur, mais aussi son architecture interne, un peu comme on construit une maison où chaque couloir mène la lumière droit au but. Et alors, le faisceau de la lampe de poche, traversant ce qui était autrefois un obstacle opaque, atteint l'écran net et concentré.
Le mot « scintillateur » vient du latin scintilla, qui signifie étincelle. Les premiers scintillateurs ont été observés au début du XXe siècle : les particules alpha, en frappant un écran de sulfure de zinc, provoquaient de minuscules flashs que l'on comptait au microscope.