Faites briller un laser puissant sur un solide, et vous obtenez un faisceau de protons de haute énergie. Loin d'être une curiosité, ce phénomène a des applications importantes, comme dans la recherche sur la génération de neutrons. Théoriquement, plus le laser est intense, le plus rapide (en d'autres termes, plus énergétique) les protons résultants. Cependant, nous semblons avoir récemment heurté un mur, avec des lasers plus puissants qui ne parviennent pas à donner le coup de pouce attendu en accélération.

Le problème survient lorsque l'on essaie de pousser les énergies des protons au-delà d'environ 100 méga-électronvolts. Jusque-là, les énergies évoluent bien avec les intensités laser, permettant à une formule simple de prédire la sortie de l'entrée. A des intensités plus élevées, bien que, la théorie s'effondre, et surestime considérablement l'énergie du faisceau, pour des raisons mal comprises. Maintenant, dans un Communication Nature étudier, une équipe internationale de scientifiques dirigée par l'Université d'Osaka a découvert une pièce du puzzle.

L'accélération des protons est vraiment un effet secondaire du bombardement laser. Initialement, le laser expulse les électrons de la cible solide mince. Se rapprocher de la vitesse de la lumière, ces électrons créent alors un puissant champ électrique, connu sous le nom de champ de gaine, et c'est ce qui accélère les protons voisins. Cependant, les chercheurs d'Osaka ont réalisé que les théories antérieures ignoraient une pierre d'achoppement cruciale :le magnétisme.

"La gaine forme effectivement une pente, et les protons accélèrent à travers cette pente perpendiculairement à la cible, " explique l'auteur principal de l'étude Motoaki Nakatsutsumi. " Malheureusement, les électrons qui construisent la gaine génèrent également un courant, qui donne naissance à un champ magnétique, appelé un champ B. Ce magnétisme compromet l'ensemble du processus en piégeant les électrons sur la surface cible. Tandis que, les protons sont déviés de la gaine."

L'auto-inhibition s'aggrave progressivement à des puissances laser plus élevées, créant des champs B aussi forts que 100 mégagauss. Les protons deviennent donc moins énergétiques et se diffusent largement, comme l'équipe l'a confirmé dans les expériences.

A l'aide de simulations, l'équipe a exploré deux stratégies pour minimiser cet effet. Remarquant que le champ B prend un certain temps pour atteindre sa force maximale, ils ont envisagé que des impulsions laser extrêmement brèves pourraient permettre aux protons de le dépasser. Cela fonctionne jusqu'à un certain point. Cependant, les calculs ont montré que même des impulsions plus rapides que 100 femtosecondes ne parvenaient pas à empêcher l'inhibition magnétique lorsque les lasers les plus intenses étaient utilisés.

Leur deuxième idée était d'utiliser des cibles solides beaucoup plus fines que la taille du spot laser, ce qui affaiblit l'effet du champ B sur les trajectoires des électrons. Malheureusement, l'épaisseur de la cible est limitée par le profil temporel du laser, de sorte que nous devons augmenter la taille du spot laser, qui nécessite plus d'énergie laser, par exemple., système laser plus cher.

"L'inhibition magnétique pourrait être un goulot d'étranglement important pour une gamme de méthodes d'accélération de particules, " Prédit Nakatsutsumi. " Il n'y a pas que les lasers – l'accélération du rayonnement pourrait aussi être affectée. Jusqu'à présent, nous n'avons pas trouvé de remède simple. Cependant, il s'agit d'un domaine de recherche innovant, et je n'ai aucun doute que l'obstacle peut être surmonté. Nos connaissances sur le mécanisme d'inhibition seront, espérons-le, une base solide pour la solution."