Une équipe de scientifiques de DESY et de l'Université de Hambourg a franchi une étape importante dans la recherche d'un nouveau type d'accélérateur de particules compact. En utilisant des impulsions ultra-puissantes de lumière laser, ils étaient capables de produire des éclairs de rayonnement particulièrement énergétiques dans la gamme des térahertz ayant une longueur d'onde (couleur) bien définie. Le rayonnement térahertz va ouvrir la voie à une nouvelle génération d'accélérateurs de particules compacts qui trouveront leur place sur une paillasse de laboratoire. L'équipe dirigée par Andreas Maier et Franz Kärtner du Hamburg Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) présente ses résultats dans la revue Communication Nature . Le CFEL est co-géré par DESY, l'Université de Hambourg et la Société Max Planck.

La gamme térahertz du rayonnement électromagnétique se situe entre les fréquences infrarouges et micro-ondes. Les voyageurs aériens peuvent être familiers avec le rayonnement térahertz des scanners corporels utilisés par la sécurité des aéroports pour rechercher des objets cachés sous les vêtements d'une personne. Cependant, le rayonnement dans cette gamme de fréquences pourrait également être utilisé pour construire des accélérateurs de particules compacts. "La longueur d'onde du rayonnement térahertz est environ mille fois plus courte que les ondes radio actuellement utilisées pour accélérer les particules, " dit Kärtner, qui est un scientifique principal à DESY. "Cela signifie que les composants de l'accélérateur peuvent également être construits pour être environ mille fois plus petits." La génération d'impulsions térahertz de haute énergie est donc également une étape importante pour le projet AXSIS (frontiers in Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopy) au CFEL, financé par le Conseil européen de la recherche (ERC), qui vise à ouvrir de toutes nouvelles applications avec les accélérateurs de particules térahertz compacts.

Cependant, le mouvement le long d'un nombre appréciable de particules nécessite de puissantes impulsions de rayonnement térahertz ayant une longueur d'onde nettement définie. C'est précisément ce que l'équipe a maintenant réussi à créer. "Afin de générer des impulsions térahertz, nous tirons deux puissantes impulsions de lumière laser dans un cristal dit non linéaire, avec un délai minimal entre les deux, " explique Maier de l'Université de Hambourg. Les deux impulsions laser ont une sorte de dégradé de couleur, ce qui signifie que la couleur à l'avant du pouls est différente de celle à l'arrière. Le léger décalage temporel entre les deux impulsions entraîne donc une légère différence de couleur. "Cette différence réside précisément dans la gamme térahertz, " dit Maier. " Le cristal convertit la différence de couleur en une impulsion térahertz. "

Le procédé nécessite que les deux impulsions laser soient précisément synchronisées. Les scientifiques y parviennent en divisant une seule impulsion en deux parties et en envoyant l'une d'elles sur un court détour de sorte qu'elle soit légèrement retardée avant que les deux impulsions ne soient finalement superposées à nouveau. Cependant, le dégradé de couleur le long des impulsions n'est pas constant, en d'autres termes, la couleur ne change pas uniformément tout au long de l'impulsion. Au lieu, la couleur change lentement au début, et puis de plus en plus vite, produire un contour courbe. Par conséquent, la différence de couleur entre les deux impulsions décalées n'est pas constante. La différence n'est appropriée que pour produire un rayonnement térahertz sur une étendue étroite de l'impulsion.

"C'était un gros obstacle à la création d'impulsions térahertz à haute énergie, " comme le rapporte Maier. " Parce que le redressement du dégradé de couleur des impulsions, qui aurait été la solution évidente, n'est pas facile à faire en pratique. » C'est le co-auteur Nicholas Matlis qui a eu l'idée cruciale :il a suggéré que le profil de couleur d'une seule des deux impulsions partielles soit légèrement étiré le long de l'axe du temps. ne modifie pas le degré avec lequel la couleur change au cours de l'impulsion, la différence de couleur par rapport à l'autre impulsion partielle reste maintenant constante à tout moment. « Les modifications à apporter à l'une des impulsions sont minimes et étonnamment faciles à réaliser :il suffisait d'insérer une courte longueur d'un verre spécial dans le faisceau, " rapporte Maier. " Tout d'un coup, le signal térahertz est devenu plus fort d'un facteur de 13. les scientifiques ont utilisé un cristal non linéaire particulièrement gros pour produire le rayonnement térahertz, spécialement conçu pour eux par l'Institut japonais des sciences moléculaires à Okazaki.

« En combinant ces deux mesures, nous avons pu produire des impulsions térahertz d'une énergie de 0,6 millijoules, ce qui est un record pour cette technique et plus de dix fois plus élevé que n'importe quelle impulsion térahertz de longueur d'onde nettement définie qui a été précédemment générée par des moyens optiques, ", explique Kärtner. "Nos travaux démontrent qu'il est possible de produire des impulsions térahertz suffisamment puissantes avec des longueurs d'onde bien définies afin de faire fonctionner des accélérateurs de particules compacts."