Un article sur les recherches menées par Meirielen Caetano de Sousa, stagiaire postdoctoral à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil, est présenté comme le choix de l'éditeur dans le numéro de septembre de Physique des plasmas , publié par l'American Institute of Physics avec la coopération de l'American Physical Society. Le papier, intitulé "Interactions onde-particule dans un tube à ondes longues progressives avec hélice améliorée", est signé par Sousa, Iberê Caldas, son superviseur à IF-USP, et collaborateurs à Aix-Marseille Université en France, où Sousa a effectué un stage de recherche avec le soutien d'une bourse de la FAPESP (Fondation pour la recherche de São Paulo) et du CAPES, le conseil supérieur de la recherche du ministère brésilien de l'Éducation.

L'objectif de la recherche de Sousa était une étude expérimentale des interactions électron-plasma. Parce que le plasma est un milieu avec un bruit de fond substantiel, des conditions analogues à celles du plasma ont été simulées dans le vide par l'utilisation d'ondes électromagnétiques courtes se propageant dans un tube à ondes progressives ou TOP.

"Les TOP sont des dispositifs dans lesquels des ondes électromagnétiques interagissent avec des faisceaux d'électrons, " a expliqué Sousa. " Les TOP industriels mesurent entre 2 cm et 30 cm de long et sont principalement utilisés pour amplifier les signaux de radiofréquence dans les communications spatiales. Le TOP d'Aix-Marseille Université mesure 4 m de long et est spécialement conçu pour la recherche en physique des plasmas à très faible niveau de bruit. C'est actuellement le seul de son genre en activité dans le monde."

Les ondes sont produites à des fréquences allant de 10 à 100 mégahertz (la région intermédiaire de la bande radio du spectre électromagnétique) par un générateur de formes d'onde et se propagent à travers une hélice couplée à l'axe horizontal du TOP. L'hélice a récemment été améliorée pour la rendre aussi régulière que possible. Sousa a participé à la mise à niveau, et son étude n'aurait pas été possible sans elle. Dans sa configuration précédente, le TOP était moins précis en raison de petites variations dans le pas de l'hélice et donc dans la forme d'onde générée.

"Dans la première partie de l'étude, nous avons analysé la propagation des ondes sans le faisceau d'électrons, " A déclaré Sousa. "Nous avons trouvé un excellent accord entre les prédictions théoriques et les données expérimentales. Cela signifie à la fois que le modèle théorique produisait des prédictions précises et que l'appareil fonctionnait parfaitement."

Mais les découvertes vraiment importantes ont été produites dans la deuxième partie, qui consistait en une étude de l'interaction entre l'onde électromagnétique et le faisceau d'électrons. "Nous avons observé l'échange d'énergie entre l'onde et les électrons, " dit Sousa. " Les électrons se déplacent légèrement plus vite que la vitesse de phase de l'onde et transmettent cette énergie cinétique différentielle à l'onde, augmentant son amplitude. Lorsque l'onde atteint son amplitude maximale, ça commence à osciller, Montant et tombant, et les électrons sont piégés dans le potentiel d'onde, avec leurs vitesses variant autour de la vitesse de la phase d'onde. Ils transfèrent de l'énergie à la vague, puis reçoivent de l'énergie de la vague."

Pour de faibles valeurs de courant électrique, elle a ajouté, le phénomène correspond aux prédictions de la théorie linéaire, mais lorsque les valeurs de courant sont élevées, les électrons interagissent non seulement avec l'onde mais aussi entre eux. Il en résulte des effets non linéaires qui ne correspondent plus aux prédictions théoriques.

"L'étude de ces effets est l'un des objectifs des futures expériences que nous prévoyons, " dit Sousa. " Un autre étudie les faisceaux non monocinétiques, dans lequel les électrons se déplacent à des vitesses différentes, et l'interaction entre ces faisceaux et un large spectre d'ondes, c'est-à-dire plusieurs ondes qui se propagent en même temps à l'intérieur de l'appareil."

L'étude achevée et les expériences envisagées relèvent du domaine des sciences fondamentales, enquêter sur l'exactitude de la théorie de la frontière et des phénomènes non encore décrits de manière adéquate par le modèle théorique. Des applications technologiques possibles se profilent à l'horizon, toutefois. "Une application plus immédiate serait la mise à niveau des TOP industriels. Une application plus ambitieuse serait de contribuer à la mise à niveau d'autres appareils qui utilisent l'interaction entre les ondes électromagnétiques et les particules chargées électriquement, comme les accélérateurs de particules, par exemple, " dit Sousa.

En plus de la bourse de stage de recherche à l'étranger attribuée à Sousa, La FAPESP a soutenu l'étude via une bourse directe de doctorat et une bourse postdoctorale, également décerné à Sousa; et un Projet Thématique sur « La dynamique non-linéaire », dirigé par Caldas.