Alors que les champs magnétiques intenses sont naturellement générés par les étoiles à neutrons, les chercheurs s'efforcent d'obtenir des résultats similaires depuis de nombreuses années. Tao Wang, étudiant diplômé en génie mécanique et aérospatial de l'UC San Diego, a récemment démontré comment un champ magnétique extrêmement puissant, semblable à celui à la surface d'une étoile à neutrons, peut être non seulement généré mais également détecté à l'aide d'un laser à rayons X à l'intérieur d'un matériau solide.

Wang a mené ses recherches à l'aide de simulations menées sur le supercalculateur Comet du San Diego Supercomputer Center (SDSC) ainsi que Stampede et Stampede2 au Texas Advanced Computing Center (TACC). Toutes les ressources font partie d'un programme de la National Science Foundation appelé Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

"Les découvertes de Wang étaient essentielles à l'objectif global de notre étude récemment publiée de développer une compréhension fondamentale de la façon dont plusieurs faisceaux laser d'extrême intensité interagissent avec la matière, " a déclaré Alex Arefiev, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego.

Wang, Aréfiev, et leurs collègues ont utilisé plusieurs grandes simulations en trois dimensions, visualisation à distance, et le post-traitement des données pour compléter leur étude, qui a montré comment une impulsion laser intense est capable de se propager dans le matériau dense en raison de son intensité relativiste.

En d'autres termes, lorsque la vitesse des électrons se rapproche de la vitesse de la lumière, leur masse devient si lourde que la cible devient transparente. En raison de la transparence, l'impulsion laser pousse les électrons pour former un champ magnétique puissant. Cette force est comparable à celle à la surface d'une étoile à neutrons, qui est au moins 100 millions de fois plus puissant que le champ magnétique terrestre, et environ mille fois plus fort que le champ des aimants supraconducteurs.

Les résultats ont été publiés dans un Physique du plasma article de journal intitulé « Cibles structurées pour la détection des champs magnétiques de niveau Megatesla par la rotation de Faraday des faisceaux XFEL ».

« Maintenant que nous avons terminé cette étude, nous travaillons sur des moyens de détecter ce type de champ magnétique dans une installation unique en son genre appelée European X-Ray Free Electron Laser (XFEL), qui comprend un accélérateur de 3,4 kilomètres de long qui génère des flashs de rayons X extrêmement intenses à utiliser par des chercheurs comme notre équipe, " expliqua Arefiev.

Situé à Schenefeld, Allemagne, l'European XFEL est le lieu de travail de Toma Toncian, où il dirige le groupe de projet construction et mise en service de la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes à l'instrument à haute densité d'énergie. Il est également co-auteur de l'étude récemment publiée.

"La collaboration très fructueuse entre l'UC San Diego et Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ouvre la voie à de futures expériences à fort impact, " dit Toncian. " Comme nous passons aujourd'hui de la construction à la mise en service et aux premières expériences, les prédictions théoriques de Tao Wang arrivent à point nommé et nous montrent comment développer davantage et exploiter pleinement les capacités de notre instrument."

Selon Mingsheng Wei, chercheur principal au Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester et co-auteur de l'article, « la conception innovante de la cible à micro-canaux explorée dans le travail de simulation a pu être démontrée en utilisant le nouveau matériau en mousse polymère à faible densité qui n'est que quelques fois plus lourd que l'air sec contenu dans les tubes microstructurés. »

« Parce que les ensembles de données résultant de nos expériences utilisant XFEL sont très volumineux, notre recherche n'aurait pas été possible sur un ordinateur de bureau ordinaire - nous n'aurions pas pu terminer cette étude sans l'utilisation de supercalculateurs XSEDE, " a déclaré Arefiev. "Nous sommes également très reconnaissants envers le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force pour avoir rendu ce projet possible."

Arefiev a déclaré que les efforts d'utilisation des superordinateurs de leur groupe reposaient sur les conseils d'Amit Chourasia, Scientifique principal en visualisation du SDSC, qui a aidé à mettre en place des outils de visualisation parallèle à distance pour les chercheurs.

"C'est fantastique de travailler en binôme avec des groupes de recherche et de les doter de méthodes puissantes, outils, et un plan d'exécution qui à son tour propulse leur recherche à un rythme accéléré à l'aide du HPC et de la visualisation, nous sommes reconnaissants de jouer un rôle en permettant de nouvelles découvertes, " dit Chourasia.