Dans les accélérateurs de particules massifs, les particules subatomiques (comme les électrons) sont accélérées à des vitesses très élevées comparables à la vitesse de la lumière vers une surface cible. La collision de particules subatomiques accélérées donne lieu à des interactions uniques permettant aux scientifiques de mieux comprendre les propriétés fondamentales de la matière.
Traditionnellement, les accélérateurs de particules laser nécessitent des lasers coûteux (de l’ordre de 1 à 20 millions de dollars américains) et sont confinés dans d’immenses installations nationales. Une configuration aussi complexe que celle-ci est capable d’accélérer des électrons jusqu’à des énergies mégaélectronvolts (MeV). Mais un laser plus simple, coûtant seulement une infime fraction des lasers actuellement utilisés, peut-il être utilisé pour concevoir des schémas comparables d'accélération de particules ?
Dans le cadre d'une avancée passionnante, des scientifiques de l'Institut Tata de recherche fondamentale d'Hyderabad (TIFRH) ont conçu une solution élégante pour générer avec succès du MeV (10 6 eV) température des électrons à une simple fraction (100 fois plus petite) de l'intensité laser jugée auparavant nécessaire.
Les résultats sont publiés dans la revue Communications Physics .
La technique met en œuvre deux impulsions laser; d’abord pour créer une minuscule explosion contrôlée dans une microgouttelette, suivie d’une seconde impulsion pour accélérer les électrons jusqu’aux énergies du mégaélectronvolt (MeV). Ce qui est encore plus excitant, c'est qu'ils y sont parvenus avec un laser 100 fois moins puissant que ce qui était jugé nécessaire auparavant, le rendant ainsi plus accessible et plus polyvalent pour les recherches futures. Les implications de cette découverte peuvent être dramatiques en raison de la capacité de produire des faisceaux d'électrons de haute énergie pour des applications allant des tests non destructifs, de l'imagerie, de la tomographie et de la microscopie, et peuvent influencer la science des matériaux jusqu'aux sciences biologiques.
L'installation développée par les chercheurs du TIFRH utilise un laser de classe millijoule, tirant à une fréquence de 1 000 impulsions par seconde avec des impulsions ultracourtes de 25 fs, et est utilisée pour ciseler dynamiquement des micro-gouttelettes de 15 µm de diamètre. Cette mise en forme dynamique de la cible implique deux impulsions laser travaillant en tandem. La première impulsion crée une surface concave dans la goutte de liquide, et la seconde impulsion génère des ondes de plasma électrostatiques, propulsant les électrons vers des énergies MeV.
Les ondes électrostatiques sont des oscillations dans le plasma qui ressemblent beaucoup aux perturbations mécaniques créées dans un étang d'eau lorsque vous traversez une pierre. Ici, le laser crée des perturbations dans la mer d'électrons et génère un « tsunami d'électrons » qui se brise pour donner des électrons de haute énergie, un peu comme l'éclaboussement d'une vague sur la côte. Le processus génère non pas un mais deux faisceaux d'électrons, chacun avec des composantes de température distinctes :200 keV et 1 MeV.
Cette innovation produit des faisceaux d'électrons dirigés au-delà de 4 MeV avec un laser qui tient sur une table, ce qui change la donne pour les études microscopiques résolues en temps dans divers domaines scientifiques.
Plus d'informations : Angana Mondal et al, Des gouttes de liquide façonnées génèrent des faisceaux d'électrons de température MeV avec un laser de classe millijoule, Physique des communications (2024). DOI : 10.1038/s42005-024-01550-8
Fourni par l'Institut Tata de recherche fondamentale
