Comment les chercheurs explorent-ils la nature à son niveau le plus fondamental ? Ils construisent des "supermicroscopes" capables de résoudre des détails atomiques et subatomiques. Cela ne fonctionnera pas avec la lumière visible, mais ils peuvent sonder les plus petites dimensions de la matière avec des faisceaux d'électrons, soit en les utilisant directement dans des collisionneurs de particules, soit en convertissant leur énergie en rayons X brillants dans des lasers à rayons X. Au cœur de ces machines de découverte scientifique se trouvent des accélérateurs de particules qui génèrent d'abord des électrons à une source, puis amplifient leur énergie dans une série de cavités accélératrices.

Maintenant, une équipe internationale de chercheurs, y compris des scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, a démontré une source d'électrons potentiellement beaucoup plus lumineuse basée sur le plasma qui pourrait être utilisée dans des environnements plus compacts, des accélérateurs de particules plus puissants.

La méthode, dans lequel les électrons du faisceau sont libérés par des atomes neutres à l'intérieur du plasma, est appelée technique du cheval de Troie parce qu'elle rappelle la façon dont les anciens Grecs auraient envahi la ville de Troie en cachant leurs puissants soldats (électrons) à l'intérieur d'un cheval de bois (plasma), qui a ensuite été tiré dans la ville (accélérateur).

"Notre expérience montre pour la première fois que la méthode du cheval de Troie fonctionne réellement, " dit Bernhard Hidding de l'Université de Strathclyde à Glasgow, Écosse, le chercheur principal d'une étude publiée aujourd'hui dans Physique de la nature . "C'est l'une des méthodes les plus prometteuses pour les futures sources d'électrons et pourrait repousser les limites de la technologie d'aujourd'hui."

Remplacer le métal par du plasma

Dans les accélérateurs de pointe actuels, des électrons sont générés en projetant une lumière laser sur une photocathode métallique, qui expulse les électrons du métal. Ces électrons sont ensuite accélérés à l'intérieur de cavités métalliques, où ils tirent de plus en plus d'énergie d'un champ radiofréquence, résultant en un faisceau d'électrons de haute énergie. Dans les lasers à rayons X, tels que la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, le faisceau entraîne la production de rayons X extrêmement brillants.

Mais les cavités métalliques ne peuvent supporter qu'un gain énergétique limité sur une distance donnée, ou gradient d'accélération, avant de craquer, et par conséquent, les accélérateurs pour faisceaux à haute énergie deviennent très gros et coûteux. Dans les années récentes, les scientifiques du SLAC et d'ailleurs ont cherché des moyens de rendre les accélérateurs plus compacts. Ils ont démontré, par exemple, qu'ils peuvent remplacer les cavités métalliques par du plasma qui permet des gradients d'accélération beaucoup plus élevés, réduire potentiellement la longueur des futurs accélérateurs de 100 à 1, 000 fois.

Le nouvel article étend le concept du plasma à la source d'électrons d'un accélérateur.

"Nous avons déjà montré que l'accélération du plasma peut être extrêmement puissante et efficace, mais nous n'avons pas encore été en mesure de produire des faisceaux d'une qualité suffisamment élevée pour de futures applications, " déclare le co-auteur Mark Hogan du SLAC. " L'amélioration de la qualité du faisceau est une priorité absolue pour les années à venir, et le développement de nouveaux types de sources d'électrons en est une partie importante."

Selon les calculs précédents de Hidding et ses collègues, la technique du cheval de Troie pourrait faire des faisceaux d'électrons de 100 à 10, 000 fois plus lumineux que les faisceaux les plus puissants d'aujourd'hui. Des faisceaux d'électrons plus brillants rendraient également les futurs lasers à rayons X plus brillants et amélioreraient encore leurs capacités scientifiques.

« Si nous parvenons à marier les deux axes principaux – les gradients d'accélération élevés dans le plasma et la création de faisceaux dans le plasma – nous pourrions construire des lasers à rayons X qui déploient la même puissance sur une distance de quelques mètres plutôt que de kilomètres, " dit le co-auteur James Rosenzweig, le chercheur principal du projet cheval de Troie à l'Université de Californie, Los Angeles.

Production de faisceaux d'électrons supérieurs

Les chercheurs ont mené leur expérience au SLAC's Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET). La facilité, qui fait actuellement l'objet d'une mise à niveau majeure, génère des impulsions d'électrons hautement énergétiques pour la recherche sur les technologies d'accélérateur de nouvelle génération, y compris l'accélération du plasma.

D'abord, l'équipe a projeté une lumière laser dans un mélange d'hydrogène et d'hélium. La lumière avait juste assez d'énergie pour enlever les électrons de l'hydrogène, transformer l'hydrogène neutre en plasma. Ce n'était pas assez énergique pour faire la même chose avec de l'hélium, bien que, dont les électrons sont plus étroitement liés que ceux de l'hydrogène, il est donc resté neutre à l'intérieur du plasma.

Puis, les scientifiques ont envoyé un des paquets d'électrons de FACET à travers le plasma, où il a produit un sillage de plasma, un peu comme un bateau à moteur crée un sillage lorsqu'il glisse dans l'eau. Les électrons de fuite peuvent "surfer" dans le sillage et gagner d'énormes quantités d'énergie.

Plus de travail de R&D à venir

Mais avant que des applications telles que les lasers à rayons X compacts ne deviennent une réalité, il faut faire beaucoup plus de recherches.

Prochain, les chercheurs souhaitent améliorer la qualité et la stabilité de leur faisceau et travailler sur de meilleurs diagnostics qui leur permettront de mesurer la luminosité réelle du faisceau, au lieu de l'estimer.

Ces développements se feront une fois la mise à jour FACET, FACETTE-II, est terminé. "L'expérience repose sur la capacité d'utiliser un faisceau d'électrons puissant pour produire le sillage du plasma, " dit Vitaly Yakimenko, directeur de la division FACET du SLAC. « FACET-II sera le seul endroit au monde qui produira de tels faisceaux avec une intensité et une énergie suffisamment élevées. »

Dans cette étude, les électrons de fuite provenaient de l'intérieur du plasma (voir l'animation ci-dessus et le film ci-dessous). Juste au moment où le paquet d'électrons et son sillage sont passés, les chercheurs ont zappé l'hélium dans le plasma avec une seconde, flash laser étroitement focalisé. Cette fois, l'impulsion lumineuse avait assez d'énergie pour expulser les électrons des atomes d'hélium, et les électrons ont ensuite été accélérés dans le sillage.

La synchronisation entre le paquet d'électrons, se précipitant à travers le plasma avec presque la vitesse de la lumière, et le flash laser, ne dure que quelques millionièmes de milliardième de seconde, était particulièrement important et stimulant, dit Aihua Deng de l'UCLA, l'un des principaux auteurs de l'étude :« Si le flash arrive trop tôt, les électrons qu'il produit perturberont la formation du sillage du plasma. S'il arrive trop tard, le sillage du plasma s'est déplacé et les électrons ne seront pas accélérés."

Les chercheurs estiment que la luminosité du faisceau d'électrons obtenu avec la méthode du cheval de Troie peut déjà rivaliser avec la luminosité des sources d'électrons de pointe existantes.

"Ce qui rend notre technique transformatrice, c'est la façon dont les électrons sont produits, " dit Olivier Karger, l'autre auteur principal, qui était à l'Université de Hambourg, Allemagne, au moment de l'étude. Lorsque les électrons sont retirés de l'hélium, ils s'accélèrent rapidement vers l'avant, qui maintient le faisceau étroitement groupé et est une condition préalable pour des faisceaux plus lumineux.