Des physiciens de l'Université du Nebraska-Lincoln voient un phénomène quotidien sous un nouveau jour.

En focalisant la lumière laser à une luminosité un milliard de fois supérieure à celle de la surface du soleil - la lumière la plus brillante jamais produite sur Terre - les physiciens ont observé des changements dans une interaction permettant la vision entre la lumière et la matière.

Ces changements ont produit des impulsions de rayons X uniques avec le potentiel de générer des images à très haute résolution utiles pour la médecine, ingénierie, à des fins scientifiques et de sécurité. Les conclusions de l'équipe, détaillé le 26 juin dans le journal Photonique de la nature , devrait également aider à éclairer les futures expériences impliquant des lasers à haute intensité.

Donald Umstadter et ses collègues du Extreme Light Laboratory de l'université ont tiré leur laser Diocles sur des électrons suspendus à l'hélium pour mesurer comment les photons du laser - considérés à la fois comme des particules et des ondes lumineuses - se sont diffusés à partir d'un seul électron après l'avoir frappé.

Dans des conditions typiques, comme lorsque la lumière d'une ampoule ou du soleil frappe une surface, ce phénomène de diffusion rend la vision possible. Mais un électron - la particule chargée négativement présente dans les atomes formant la matière - ne diffuse normalement qu'un photon de lumière à la fois. Et l'électron moyen jouit rarement même de ce privilège, Umstadter a dit, se faire frapper qu'une fois tous les quatre mois environ.

Bien que des expériences laser précédentes aient diffusé quelques photons du même électron, L'équipe d'Umstadter a réussi à se disperser près de 1, 000 photons à la fois. Aux ultra-hautes intensités produites par le laser, les photons et les électrons se sont comportés de manière très différente de la normale.

"Quand nous avons cette lumière incroyablement brillante, il s'avère que la diffusion - cette chose fondamentale qui rend tout visible - change fondamentalement de nature, " dit Umstadter, le professeur Leland et Dorothy Olson de physique et d'astronomie.

Un photon de la lumière standard se dispersera généralement au même angle et à la même énergie qu'il présentait avant de frapper l'électron, quelle que soit la luminosité de sa lumière. Pourtant, l'équipe d'Umstadter a découvert que, au-dessus d'un certain seuil, la luminosité du laser a modifié l'angle, forme et longueur d'onde de cette lumière diffusée.

"C'est donc comme si les choses apparaissaient différemment lorsque vous augmentiez la luminosité de la lumière, ce qui n'est pas quelque chose que vous éprouveriez normalement, " a déclaré Umstadter. "(Un objet) devient normalement plus brillant, mais sinon, cela ressemble à ce qu'il était avec un niveau de lumière inférieur. Mais ici, la lumière change l'apparence (de l'objet). La lumière s'éteint sous différents angles, avec des couleurs différentes, selon sa luminosité."

Ce phénomène provient en partie d'un changement de l'électron, qui a abandonné son mouvement de haut en bas habituel au profit d'un modèle de vol en forme de 8. Comme dans des conditions normales, l'électron a également éjecté son propre photon, qui a été secoué par l'énergie des photons entrants. Mais les chercheurs ont découvert que le photon éjecté absorbait l'énergie collective de tous les photons diffusés, lui accordant l'énergie et la longueur d'onde d'un rayon X.

Les propriétés uniques de cette radiographie peuvent être appliquées de plusieurs manières, dit Umstadter. Sa gamme d'énergie extrême mais étroite, combinée à sa durée extraordinairement courte, pourrait aider à générer des images tridimensionnelles à l'échelle nanoscopique tout en réduisant la dose nécessaire pour les produire.

Ces qualités pourraient le qualifier pour rechercher des tumeurs ou des microfractures qui échappent aux rayons X conventionnels, cartographier les paysages moléculaires des matériaux nanoscopiques qui trouvent maintenant leur chemin dans la technologie des semi-conducteurs, ou détecter des menaces de plus en plus sophistiquées aux points de contrôle de sécurité. Les physiciens atomiques et moléculaires pourraient également utiliser les rayons X comme une forme de caméra ultrarapide pour capturer des instantanés du mouvement des électrons ou des réactions chimiques.

En tant que physiciens eux-mêmes, Umstadter et ses collègues ont également exprimé leur enthousiasme pour les implications scientifiques de leur expérience. En établissant une relation entre la luminosité du laser et les propriétés de sa lumière diffusée, l'équipe a confirmé une méthode récemment proposée pour mesurer l'intensité maximale d'un laser. L'étude a également soutenu plusieurs hypothèses de longue date selon lesquelles les limitations technologiques avaient empêché les physiciens de tester directement.

"Il y avait beaucoup de théories, pendant de nombreuses années, qui n'avait jamais été testé en laboratoire, parce que nous n'avons jamais eu de source de lumière assez brillante pour faire l'expérience, " a déclaré Umstadter. " Il y avait diverses prédictions pour ce qui se passerait, et nous avons confirmé certaines de ces prédictions.

« Tout cela fait partie de ce que nous appelons l'électrodynamique. Il existe des manuels sur l'électrodynamique classique que tous les physiciens apprennent. en un sens, était vraiment une expérience de manuel."