Des scientifiques proposent une source de lumière ultra-lumineuse alimentée par des quasi-particules – Physics World

Des scientifiques proposent une source de lumière ultra-lumineuse alimentée par des quasi-particules – Physics World

Horodatage: 11 décembre 2023 8h46

Une simulation d'une source laser puissante et lumineuse créée à l'aide d'une collection de nombreux électrons qui se déplacent ensemble comme une seule particule géante, ou quasi-particule.
Les scientifiques ont étudié les propriétés uniques des quasiparticules dans les plasmas en exécutant des simulations informatiques avancées sur des superordinateurs disponibles via l'entreprise commune européenne pour le calcul haute performance. Ils proposent d’utiliser des quasiparticules pour créer des sources lumineuses aussi puissantes que les plus avancées qui existent aujourd’hui, mais beaucoup plus petites. (Avec l'aimable autorisation de B. Malaca)

Une nouvelle source de lumière proposée basée sur des accélérateurs à plasma pourrait permettre de développer des sources ultra-lumineuses aussi puissantes que les lasers à électrons libres les plus avancés – mais beaucoup plus petites. Si elle est démontrée expérimentalement, la conception proposée par un consortium international de chercheurs pourrait être exploitée pour diverses applications, notamment l'imagerie non destructive et la fabrication de puces informatiques.

Les sources de lumière cohérentes telles que les lasers à électrons libres sont couramment utilisées dans la recherche universitaire, où elles sont utilisées pour étudier la structure des biomolécules, la dynamique des réactions chimiques et d'autres énigmes en physique, chimie et science des matériaux. Le problème est qu'elles sont énormes : la plus puissante, la source de lumière cohérente Linac de l'université de Stanford, mesure trois kilomètres de long et est pilotée par l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC). Les réduire les rendrait accessibles aux plus petites institutions telles que les universités, les hôpitaux et les laboratoires industriels.

Une « vague mexicaine » pour les électrons

Des chercheurs dirigés par Jorge Vieira des Institut Supérieur Technique (IST) au Portugal, avec Jean Palastro des Université de Rochester, aux États-Unis, pensent avoir trouvé un moyen d’y parvenir. Leur conception, qu'ils ont développée avec des collègues du Université de Californie, Los Angeles et par Laboratoire d'Optique Appliquée en France, il est nécessaire de créer une source laser puissante et lumineuse utilisant une collection de nombreux électrons qui se déplacent ensemble comme une seule particule géante, ou quasi-particule. "Pour comprendre ce que nous entendons par là, pensez aux vagues mexicaines, qui semblent faire le tour de l'arène, même si chaque participant reste sur place", explique Bernardo Malaca, doctorant à l'IST et premier auteur d'une étude sur la conception publiée dans Nature Photonics. "Une telle dynamique collective des particules chargées est au cœur de la physique des plasmas."

Tout comme une onde mexicaine peut, en principe, se déplacer plus rapidement que les humains individuels dans la foule (à condition qu'ils travaillent tous ensemble), Malaca affirme que la même chose peut se produire avec les électrons. Dans ce cas, cependant, les conséquences seraient bien plus profondes : « Les ondes électroniques mexicaines pourraient se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière, même s'il n'existe pas localement un seul électron qui soit plus rapide que la lumière », explique-t-il.

Lorsque cela se produit, ajoute Malaca, les ondes électroniques collectives rayonneraient comme s’il s’agissait d’un seul électron superluminal. "Le rayonnement électronique collectif peut être représenté comme s'il provenait d'une seule particule, ce qui soulève la possibilité de créer une classe jusqu'ici inimaginable de sources temporellement cohérentes", explique-t-il. Monde de la physique.

Une version quasiparticulaire de l'effet Cherenkov

Dans ce nouveau travail, les chercheurs, soutenus par le Entreprise commune européenne du calcul haute performance, a utilisé des simulations sur superordinateurs pour étudier les propriétés des quasiparticules dans le plasma. Ces simulations ont montré que le rayonnement d'une quasi-particule est en effet fondamentalement impossible à distinguer de celui produit par une seule particule de taille finie.

L'équipe Portugal-États-Unis-France décrit également la physique d'une version quasiparticulaire de l'effet Tchérenkov. Le rayonnement Tchérenkov se produit lorsque des particules chargées se propagent dans un milieu à une vitesse plus rapide que la vitesse de la lumière dans ce milieu. Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, cet effet ne peut pas se produire dans le vide, où la vitesse de la lumière est fixée à un peu moins de 300 000 km/s. Cette limite ne s'applique cependant pas aux quasiparticules, qui peuvent se déplacer à n'importe quelle vitesse, y compris les vitesses supraluminiques. "Les quasiparticules peuvent se déplacer d'une manière qui serait interdite par les lois de la physique régissant les particules individuelles", explique Palastro. "C'est cette liberté absolue de contrôler la trajectoire des quasiparticules qui pourrait être la clé d'une nouvelle classe de sources lumineuses puissantes mais compactes."

Viera ajoute que les quasiparticules peuvent combiner de manière constructive le rayonnement de 1010 des électrons. Il s’agit, note-t-il, « de la charge d’un paquet d’électrons au SLAC ».

Une façon de créer une source de lumière réelle à partir de quasi-particules serait d'envoyer une impulsion laser intense ou un groupe de particules relativistes dans un plasma ou un gaz dont la densité augmente avec la distance, ajoute-t-il. Cette configuration est connue sous le nom de rampe d'augmentation de la densité et est standard dans les accélérateurs à plasma. Cependant, ceux-ci utilisent généralement un profil de densité constante. La nouvelle configuration créerait une quasi-particule superluminale conduisant à une émission de quasi-particules Cherenkov.

"Pour créer une quasi-particule ondulante, conduisant à un rayonnement ondulatoire, nous pourrions envoyer une impulsion laser intense ou un groupe de particules relativistes dans un plasma ou un gaz dont la densité varie périodiquement (de manière sinusoïdale) avec la distance", explique Viera. « Différentes configurations sont déjà disponibles pour créer de tels profils en laboratoire (par exemple, en utilisant le motif d'interférence entre deux impulsions laser ionisantes, qui ionisent le plasma uniquement dans les zones d'interférence constructive).

« Un impact énorme »

Si elles sont construites et démontrées en laboratoire, des sources lumineuses compactes basées sur des quasiparticules pourraient apporter des connaissances scientifiques et des applications qui ne sont actuellement possibles que dans quelques endroits dans le monde (comme au LCLS), explique Viera. « Les sources lumineuses ont un impact énorme sur nos vies, depuis la science et la technologie jusqu'aux applications quotidiennes. Par exemple, ils jouent un rôle crucial dans l’imagerie non destructive (comme la recherche de virus ou la vérification de la qualité des produits), la compréhension des processus biologiques (comme la photosynthèse), la fabrication de puces informatiques et l’exploration du comportement de la matière dans les planètes et les étoiles.

Les chercheurs étudient actuellement les moyens de faire rayonner des quasiparticules à d’autres longueurs d’onde du spectre électromagnétique. Les rayons X, par exemple, ont des longueurs d’onde d’environ 1 nm et seraient particulièrement utiles.

«Nous essayons également de démontrer expérimentalement notre concept», explique Malaca. « Bien qu’il s’agisse pour l’instant d’une innovation conceptuelle, nous pensons que l’approche des quasiparticules est suffisamment simple pour être testée dans des dizaines, voire des centaines de laboratoires à travers le monde. »

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