Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont calculé comment créer des faisceaux laser torsadés à haute intensité, une saveur d'impulsion laser que le monde n'a probablement jamais vue. Ces chercheurs ont également fait le calcul sur la façon d'utiliser ces impulsions laser en forme de tire-bouchon pour faire des recherches de pointe. Finalement, ils ont des prédictions sur la façon dont les matériaux qu'ils prévoient de "percer" avec des impulsions lumineuses en tire-bouchon réagiront.

Actuellement, tout ce travail réside dans les domaines de la théorie et des simulations sur superordinateur. Mais c'est sur le point de changer, grâce au financement de la National Science Foundation (NSF). Une nouvelle subvention permettra aux chercheurs de l'UC San Diego de s'associer à des expérimentateurs et de mener des expériences pour sonder les interactions entre la lumière tordue de haute intensité et la matière dans le nouveau centre européen des installations de pointe Extreme Light Infrastructure (ELI) en Roumanie et en République tchèque. Il s'agit de la première subvention de la NSF à financer des chercheurs basés aux États-Unis pour tester leur travail théorique dans les installations de l'ELI.

Alexey Arefiev, professeur de génie mécanique et aérospatial à l'UC San Diego, est le chercheur principal de la subvention de trois ans de la NSF. L'essentiel du travail expérimental sera effectué à l'Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics (ELI-NP) en Roumanie, qui a récemment lancé son système laser haute puissance de 10 Petawatt.

"Il est très difficile de faire de la lumière torsadée à haute intensité. Les méthodes conventionnelles pour tordre la lumière ne sont pas applicables, " a déclaré Arefiev. " Nous sommes ravis d'avoir ces opportunités. Vous devez tester expérimentalement votre travail théorique, car c'est le seul moyen d'améliorer votre compréhension du fonctionnement réel de la nature."

Des informations fondamentales pour la physique nucléaire et l'astrophysique pourraient émerger de ces travaux. La recherche pourrait également conduire à des informations utiles pour les thérapies tumorales non invasives. En particulier :la lumière torsadée pourrait être utilisée pour améliorer les caractéristiques du faisceau d'ions nécessaires aux protons thérapies.

"Pendant des années, Alexey Arefiev a été à la pointe des travaux de modélisation des interactions lumière-matière à des intensités extrêmes. L'opportunité de tester ce travail théorique fera avancer l'ensemble du domaine des interactions lumière-matière à des intensités extrêmes. C'est un excellent exemple du meilleur que les collaborations internationales de recherche peuvent offrir, " a déclaré Vyacheslav (Slava) Lukin, un directeur de programme pour le programme de physique des plasmas à la National Science Foundation.

Cette collaboration unique est née d'un effort du département d'État américain pour encourager la collaboration scientifique internationale par le biais d'un dialogue US-ELI.

L'équipe de l'UC San Diego s'associera à une équipe dirigée par Dan Stutman, un chercheur de l'Université Johns Hopkins qui est également scientifique principal et responsable des expériences laser de physique nucléaire à ELI-NP. Les travaux théoriques à l'UC San Diego aideront également à orienter et à comparer les recherches en cours sur la lumière torsadée à haute intensité et à haute énergie dans les installations laser ELI-NP et CETAL-PW en Roumanie, travaux dirigés par Stutman et financés par le Ministère roumain de la Recherche et de l'Innovation.

Tire-bouchon Laser Pulses

La feuille de route théorique pour la création de la lumière tire-bouchon s'appuie sur le travail effectué par Yin Shi, chercheur post-doctoral dans le groupe de simulation laser-plasma relativiste d'Arefiev à l'école d'ingénierie Jacobs de l'UC San Diego et ancien récipiendaire de la bourse internationale Newton de la Royal Society (Royaume-Uni).

"Nous allons enfin découvrir ce que nous faisons et ne comprenons pas à propos de la lumière tire-bouchon. Cette chance de créer réellement, étudier et tester ces impulsions laser spéciales est une opportunité incroyable à la fois intellectuellement et en termes de carrière, " a déclaré Shi. " J'ai hâte de tirer le meilleur parti des lasers ELI et des équipes de recherche. "

Une fois la lumière du tire-bouchon générée, Arefiev et son équipe travailleront avec des expérimentateurs pour s'assurer que ces impulsions laser de haute intensité interagissent avec les matériaux qu'ils sondent de manière à générer des champs magnétiques qui n'ont jamais été produits auparavant. Il s'agit de s'assurer que le moment angulaire orbital qui donne à ces impulsions ultra-courtes leur forme en tire-bouchon est bien transféré au matériau plasma.

Finalement, l'équipe a des prédictions sur la façon dont les champs magnétiques affecteront la dynamique des ions.

"Il y a encore tellement de physique à découvrir. Il y a tellement de choses que nous ne savons pas sur le comportement des impulsions laser avec un moment angulaire orbital, comment le moment angulaire orbital sera transféré aux matériaux du plasma, et comment cela affectera le transport d'ions, " dit Arefiev. " La vie est pleine de surprises, ce travail expérimental pourrait conduire à de nombreuses nouvelles découvertes."