Les scientifiques exploitant le contrôle précis des lasers ultrarapides ont accéléré les électrons sur une distance de 20 centimètres à des vitesses habituellement réservées aux accélérateurs de particules de la taille de 10 terrains de football.

Une équipe de l'Université du Maryland (UMD) dirigée par le professeur de physique et de génie électrique et informatique Howard Milchberg, en collaboration avec l'équipe de Jorge J. Rocca de la Colorado State University (CSU), a réalisé cet exploit en utilisant deux impulsions laser envoyées à travers un jet d'hydrogène gazeux. La première impulsion a déchiré l'hydrogène, y perçant un trou et créant un canal de plasma. Ce canal a guidé une seconde impulsion de puissance plus élevée qui a récupéré des électrons du plasma et les a entraînés dans son sillage, les accélérant presque à la vitesse de la lumière dans le processus.

Avec cette technique, l'équipe a accéléré les électrons à près de 40% de l'énergie obtenue dans des installations massives comme la source de lumière cohérente Linac (LCLS) d'un kilomètre de long, l'accélérateur du SLAC National Accelerator Laboratory. L'article a été accepté dans la revue Physical Review X le 1er août 2022.

"Il s'agit du premier accélérateur d'électrons multi-GeV entièrement alimenté par des lasers", déclare Milchberg, qui est également affilié à l'Institut de recherche en électronique et physique appliquée de l'UMD. "Et les lasers devenant moins chers et plus efficaces, nous espérons que notre technique deviendra la voie à suivre pour les chercheurs dans ce domaine."

Les nouveaux travaux sont motivés par des accélérateurs comme le LCLS, une piste d'un kilomètre de long qui accélère les électrons à 13,6 milliards d'électron-volts (GeV), l'énergie d'un électron qui se déplace à 99,99999993 % de la vitesse de la lumière. Le prédécesseur de LCLS est à l'origine de trois découvertes lauréates du prix Nobel sur les particules fondamentales. Aujourd'hui, un tiers de l'accélérateur d'origine a été converti en LCLS, utilisant ses électrons ultra-rapides pour générer les faisceaux laser à rayons X les plus puissants au monde. Les scientifiques utilisent ces rayons X pour scruter l'intérieur des atomes et des molécules en action, créant des vidéos de réactions chimiques. Ces vidéos sont des outils essentiels pour la découverte de médicaments, l'optimisation du stockage d'énergie, l'innovation en électronique et bien plus encore.

Accélérer des électrons à des énergies de plusieurs dizaines de GeV n'est pas chose aisée. L'accélérateur linéaire du SLAC donne aux électrons la poussée dont ils ont besoin en utilisant de puissants champs électriques se propageant dans une très longue série de tubes métalliques segmentés. Si les champs électriques étaient plus puissants, ils déclencheraient un orage à l'intérieur des tubes et les endommageraient gravement. Incapables de pousser les électrons plus fort, les chercheurs ont choisi de simplement les pousser plus longtemps, offrant ainsi plus de piste pour que les particules accélèrent. D'où la tranche d'un kilomètre de long à travers le nord de la Californie. Pour amener cette technologie à une échelle plus gérable, les équipes de l'UMD et du CSU se sont efforcées d'augmenter les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière en utilisant, comme il se doit, la lumière elle-même.

"L'objectif ultime est de réduire les accélérateurs d'électrons à l'échelle du GeV à une pièce de taille modeste", explique Jaron Shrock, étudiant diplômé en physique à l'UMD et co-premier auteur des travaux. "Vous prenez des appareils à l'échelle du kilomètre et vous avez un champ d'accélération d'un autre facteur de 1 000 plus fort. Donc, vous prenez l'échelle du kilomètre à l'échelle du mètre, c'est l'objectif de cette technologie."

La création de ces champs d'accélération plus forts dans un laboratoire utilise un processus appelé accélération du champ de sillage laser, dans lequel une impulsion de lumière laser intense et étroitement focalisée est envoyée à travers un plasma, créant une perturbation et entraînant des électrons dans son sillage.

"Vous pouvez imaginer l'impulsion laser comme un bateau", explique Bo Miao, stagiaire postdoctoral en physique à l'Université du Maryland et co-premier auteur des travaux. "Lorsque l'impulsion laser se déplace dans le plasma, parce qu'elle est si intense, elle repousse les électrons hors de son chemin, comme de l'eau repoussée par la proue d'un bateau. Ces électrons font une boucle autour du bateau et se rassemblent juste derrière lui, voyageant dans le sillage du pouls."

L'accélération du champ de sillage laser a été proposée pour la première fois en 1979 et démontrée en 1995. Mais la distance sur laquelle elle pouvait accélérer les électrons restait obstinément limitée à quelques centimètres. Ce qui a permis à l'équipe UMD et CSU de tirer parti de l'accélération du champ de sillage plus efficacement que jamais auparavant, c'est une technique que l'équipe UMD a mise au point pour apprivoiser le faisceau à haute énergie et l'empêcher de trop disperser son énergie. Leur technique perce un trou dans le plasma, créant un guide d'ondes qui maintient l'énergie du faisceau concentrée.

"Un guide d'ondes permet à une impulsion de se propager sur une distance beaucoup plus longue", explique Shrock. "Nous devons utiliser le plasma car ces impulsions ont une énergie si élevée, elles sont si brillantes qu'elles détruiraient un câble à fibre optique traditionnel. Le plasma ne peut pas être détruit car, dans un certain sens, il l'est déjà."

Leur technique crée quelque chose qui ressemble aux câbles à fibre optique - les éléments qui transportent le service Internet par fibre optique et d'autres signaux de télécommunications - à partir de rien. Ou, plus précisément, à partir de jets d'hydrogène soigneusement sculptés.

Un guide d'onde à fibre optique conventionnel se compose de deux composants :un « noyau » central guidant la lumière et une « gaine » environnante empêchant la lumière de s'échapper. Pour fabriquer leur guide d'ondes à plasma, l'équipe utilise un faisceau laser supplémentaire et un jet d'hydrogène gazeux. Au fur et à mesure que ce laser "guidant" supplémentaire se déplace à travers le jet, il arrache les électrons des atomes d'hydrogène et crée un canal de plasma. Le plasma est chaud et commence rapidement à se dilater, créant un "noyau" de plasma de densité inférieure et un gaz de densité supérieure sur sa frange, comme une coque cylindrique. Ensuite, le faisceau laser principal (celui qui va rassembler les électrons dans son sillage) est envoyé par ce canal. Le bord très avant de cette impulsion transforme également la coque de densité plus élevée en plasma, créant ainsi le "revêtement".

"C'est un peu comme si la toute première impulsion dégageait une zone", explique Shrock, "et ensuite l'impulsion à haute intensité descend comme un train avec quelqu'un debout à l'avant qui jette les rails au fur et à mesure."

En utilisant la technique de guide d'ondes à plasma généré optiquement de l'UMD, combinée au laser haute puissance et à l'expertise de l'équipe CSU, les chercheurs ont pu accélérer certains de leurs électrons jusqu'à une vitesse stupéfiante de 5 GeV. C'est encore un facteur de 3 de moins que l'accélérateur massif du SLAC, et pas tout à fait le maximum atteint avec l'accélération du champ de sillage laser (cet honneur appartient à une équipe du Lawrence Berkeley National Labs). Cependant, l'énergie laser utilisée par GeV d'accélération dans le nouveau travail est un record, et l'équipe affirme que leur technique est plus polyvalente :elle peut potentiellement produire des sursauts d'électrons des milliers de fois par seconde (par opposition à environ une fois par seconde), ce qui rend c'est une technique prometteuse pour de nombreuses applications, de la physique des hautes énergies à la génération de rayons X qui peuvent prendre des vidéos de molécules et d'atomes en action comme au LCLS. Maintenant que l'équipe a démontré le succès de la méthode, elle prévoit d'affiner la configuration pour améliorer les performances et augmenter l'accélération vers des énergies plus élevées.

"À l'heure actuelle, les électrons sont générés sur toute la longueur du guide d'ondes, 20 centimètres de long, ce qui rend leur distribution d'énergie moins qu'idéale", explique Miao. "Nous pouvons améliorer la conception afin de pouvoir contrôler où ils sont injectés avec précision, puis nous pouvons mieux contrôler la qualité du faisceau d'électrons accéléré."

Alors que le rêve de LCLS sur une table n'est pas encore une réalité, les auteurs disent que ce travail montre une voie à suivre. "Il y a beaucoup d'ingénierie et de science à faire d'ici là", déclare Shrock. "Les accélérateurs traditionnels produisent des faisceaux hautement reproductibles avec tous les électrons ayant des énergies similaires et se déplaçant dans la même direction. Nous apprenons toujours à améliorer ces attributs de faisceau dans les accélérateurs de champ de sillage laser multi-GeV. Il est également probable que pour atteindre des énergies à l'échelle de des dizaines de GeV, nous aurons besoin d'étager plusieurs accélérateurs de champ de sillage, en faisant passer les électrons accélérés d'un étage à l'autre tout en préservant la qualité du faisceau. Il y a donc un long chemin entre maintenant et avoir une installation de type LCLS reposant sur l'accélération du champ de sillage laser. + Explorer plus loin

Les guides d'ondes à plasma à l'échelle du mètre repoussent les limites de l'accélérateur de particules