L'un des sujets étudiés dans les études de physique récentes est l'électrodynamique quantique à champ fort (SF-QED). Jusque là, cette zone a rarement été explorée auparavant, principalement parce que l'observation expérimentale des processus SF-QED nécessiterait des intensités lumineuses extrêmement élevées (> dix ²⁵ W/cm ² ), plus de trois ordres de grandeur supérieurs à ceux obtenus en utilisant les lasers de classe PetaWatt (PW) les plus intenses disponibles aujourd'hui.

Un processus SF-QED qui s'est avéré particulièrement difficile à observer est le processus de Schwinger. Il s'agit d'un processus qui se produit près de la limite dite de Schwinger (10 ²⁹ /cm ² ), qui est associée à la rupture optique du vide quantique et à la production de plasmas à paires électrons/positons prolifiques.

Pour observer le processus de Schwinger, ainsi que d'autres processus SF-QED, les physiciens devraient être capables d'atteindre des intensités lumineuses supérieures à 10 ²⁵ W/cm ² et jusqu'à 10 ²⁹ /cm ² . Une façon possible de produire ces champs lumineux puissants pourrait être de réfléchir des impulsions laser à haute puissance sur un miroir relativiste incurvé, miroirs dans les plasmas constitués de fines couches d'électrons denses accélérées par des ondes électromagnétiques de haute intensité.

Des chercheurs du Laboratoire Interactions et dynamique des lasers (LIDYL) du Commissariat à l'énergie atomique (CEA) ont récemment prouvé que de tels miroirs relativistes courbes peuvent être produits lorsqu'une impulsion laser très intense ionise une cible solide et crée un plasma dense qui réfléchit la lumière incidente. . Leur papier, Publié dans Physique de la nature , pourrait avoir des implications importantes pour les futures recherches visant à observer les processus SF-QED.

"Récemment, notre groupe a proposé une nouvelle façon d'augmenter de manière significative les intensités des lasers de haute puissance actuels de plus de trois ordres de grandeur, utilisant des éléments optiques remarquables appelés « miroirs plasma relativistes », " Henri Vincenti, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, Raconté Phys.org . "Ces miroirs peuvent être obtenus en focalisant un laser de haute puissance sur une cible initialement solide et optiquement plate."

Essentiellement, Vincenti et ses collègues ont émis l'hypothèse que lorsqu'un laser à haute puissance est focalisé sur un solide initialement, cible optiquement plate, il crée un plasma dense au foyer du laser. Ce plasma peut réfléchir spéculairement la lumière incidente.

"Après réflexion sur ce 'miroir à plasma', le champ électrique laser fait osciller sa surface à des vitesses relativistes, formant ainsi ce que nous appelons un miroir oscillant relativiste (ROM), " Vincenti a déclaré. "Cette ROM compresse périodiquement la lumière réfléchie à tour de rôle via ce qu'on appelle l'effet Doppler. Cette compression périodique produit un train d'impulsions lumineuses sub-femtosecondes ou attosecondes, associé à un spectre harmonique Doppler dans le domaine fréquentiel."

En plus de cette "compression temporelle", le faisceau laser incident induit une pression de rayonnement spatialement inhomogène sur la surface du miroir à plasma, où l'intensité du laser est plus élevée au centre du point focal du laser que sur les bords. Cette pression de rayonnement courbe finalement la surface du miroir à plasma. Cette observation pourrait ainsi ouvrir de nouvelles possibilités pour l'exploration des procédés SF-QED dans des expériences utilisant la technologie laser.

"L'objectif principal de nos travaux récents était de montrer que la ROM incurvée par la pression de rayonnement peut compresser temporairement un laser de haute puissance et focaliser le contenu harmonique Doppler avec une excellente qualité optique, " a déclaré Vincenti. " Pour y parvenir, nous proposons une nouvelle technique de mesure pour caractériser pleinement le profil spatio-temporel de la lumière réfléchie par un miroir à plasma dans les expériences."

L'objectif initial de la récente étude de Quéré, Vincenti et leurs collègues devaient caractériser les propriétés spatio-temporelles des sources lumineuses à miroirs plasma, pour permettre leur utilisation dans des expériences. La caractérisation de ces propriétés permettrait, par exemple, permettre aux chercheurs de focaliser des sources lumineuses à miroir à plasma sur des échantillons de matière pour atteindre des régimes dominés par SF-QED ou de les utiliser pour effectuer des expériences de pompe-sonde attoseconde et sonder la dynamique des électrons dans les atomes. En outre, les chercheurs espéraient que leurs travaux permettraient de comparer les mesures recueillies lors d'expériences antérieures avec les modèles théoriques et numériques existants de sources de miroirs à plasma.

"Jusqu'à maintenant, les techniques de mesures n'ont pu récupérer que des informations temporelles ou spatiales mais pas les deux simultanément, " dit Vincenti. " Pour les informations spatiales, une technique couramment utilisée est appelée 'ptychographie' et permet une caractérisation spatiale complète d'une source lumineuse à différentes longueurs d'onde."

La ptychographie permet aux chercheurs de réaliser une caractérisation spatiale complète des sources lumineuses en plaçant un objet dans le champ proche balayé par un faisceau lumineux à différentes positions sur un plan donné. En examinant l'évolution de la figure de diffraction en champ lointain, en fonction de la position de l'objet dans le plan, éventuellement en utilisant un algorithme de récupération de phase, les chercheurs peuvent récupérer l'amplitude spatiale et la phase de l'objet et de la source lumineuse.

Alors que de nombreux physiciens ont utilisé la ptychographie dans le passé, cette technique ne permet généralement pas aux chercheurs de récupérer des informations temporelles, car l'objet placé dans le champ proche est fixe. Quéré, Vincenti et leurs collègues ont ainsi conçu une technique alternative qui permettrait aux physiciens de récupérer également des informations temporelles sur l'objet et la source lumineuse. Cette technique implique la création d'un objet ptychographique qui peut se déplacer à l'échelle de temps attoseconde, permettant de récupérer des informations à la fois spatiales et temporelles.

"Cet objet peut être obtenu en utilisant un deuxième faisceau lumineux de fréquence 2 oméga (oméga étant la fréquence de l'impulsion laser principale) focalisé selon un angle par rapport au faisceau laser principal, " dit Quéré. " En balayant le délai entre les deux faisceaux, on peut changer la position de l'objet par rapport au temps d'émission des impulsions attosecondes successives émises par le miroir à plasma. Un algorithme de récupération de phase peut alors être obtenu pour récupérer le profil spatio-temporel complet de la lumière réfléchie par le miroir à plasma."

En utilisant la technique qu'ils ont développée, surnommé 'ptychographie dynamique', Quéré et ses collègues ont pu récupérer l'amplitude spatio-temporelle et le profil de phase des impulsions attosecondes émises par les miroirs à plasma à des intensités modérées et ultra-élevées.

Finalement, la technique proposée par cette équipe de chercheurs pourrait faciliter la quête pour atteindre des intensités lumineuses élevées à l'aide de miroirs à plasma. Par exemple, cela pourrait aider les physiciens à estimer l'intensité qui peut être obtenue en utilisant des miroirs à plasma avec des niveaux de précision élevés, tout en leur permettant également de corréler ces mesures avec les processus SF-QED observés dans des expériences passées (par exemple, paires électron/positon, rayons gamma, etc.).

"Jusque là, nous avons appliqué avec succès la ptychographie dynamique aux lasers de classe 100TeraWatt, " a déclaré Vincenti. " La prochaine étape importante sera de l'implémenter sur des installations laser de classe PW, sur laquelle l'augmentation d'intensité par les miroirs à plasma relativistes devrait être d'un ordre de grandeur plus élevé."

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