Construire des accélérateurs de particules de bureau pour ouvrir de nouveaux champs de recherche
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En utilisant des lasers à haute intensité, les chercheurs ont franchi une étape importante vers la miniaturisation des accélérateurs de particules en démontrant l'amplification par laser d'électrons libres à des longueurs d'onde ultraviolettes extrêmes (27-50 nm), avec une longueur d'accélération de quelques millimètres seulement. En générant des faisceaux d'électrons monoénergétiques de haute qualité (c'est-à-dire des faisceaux où tous les électrons ont pratiquement la même énergie), ils ont franchi une étape clé vers les technologies d'accélérateurs compacts.
Dispositif expérimental de preuve de concept utilisé pour générer un laser à électrons libres dans l'ultraviolet extrême (XUV) piloté par un faisceau d'électrons à accélération de champ de sillage laser (LWFA). Une impulsion laser intense, générée par le système laser en amont, est focalisée sur une cible à jet de gaz supersonique pour produire un plasma. Les électrons sont piégés et accélérés par l'onde de plasma (c'est-à-dire le champ de sillage du laser) créée dans le plasma, ce qui génère un faisceau d'électrons à haute énergie. Ce faisceau d'électrons est transporté via une ligne de transport vers un onduleur en aval, où il subit des oscillations transversales dans le champ magnétique périodique, générant le FEL dans la région XUV.
Tomonao Hosokai
L'équipe de recherche dirigée par l'Institut de recherche scientifique et industrielle de l'université d'Osaka (SANKEN), en collaboration avec le Kansai Institute for Photon Science (KPSI), les National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), le RIKEN SPring-8 Center (RSC) et la High Energy Accelerator Research Organization (KEK), a utilisé une technique appelée accélération laser par champ de sillage pour créer des ondes de plasma qui génèrent des champs électriques d'accélération extrêmement puissants, grâce à des ondes au sein du plasma qui se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ces champs électriques puissants sont plus de 1000 fois supérieurs à ceux des accélérateurs conventionnels.
"Nos travaux ont apporté plusieurs améliorations substantielles par rapport aux techniques précédentes, ce qui nous a permis de réaliser une amplification laser à électrons libres à des longueurs d'onde ultraviolettes extrêmes", explique l'auteur principal Zhan Jin. "Nous avons utilisé la mise en forme des impulsions laser pour améliorer la précision de la focalisation. En combinaison avec nos buses à gaz supersoniques spécialement développées, nous pouvons créer des fronts d'onde plus stables, ce qui permet un contrôle précis de la source de plasma".
L'utilisation de l'amplification laser à électrons libres de cette manière est essentielle pour réduire la distance nécessaire à l'accélération des électrons. Les systèmes conventionnels peuvent nécessiter des centaines de mètres, mais les puissants champs générés par l'accélération laser du champ de sillage peuvent potentiellement réduire cette distance à quelques millimètres seulement. Ces résultats montrent que l'accélération laser par champ de sillage s'approche des performances requises pour des accélérateurs d'électrons pratiques et de haute qualité. Cette démonstration à des longueurs d'onde ultraviolettes extrêmes est une étape importante, mais l'équipe de recherche a l'intention d'aller encore plus loin.
"L'accélération du champ de sillage par laser a longtemps été considérée comme impraticable en raison de la difficulté à stabiliser le plasma sur lequel elle repose", explique l'auteur principal Tomonao Hosokai. "Nous avons considérablement amélioré la stabilité et la qualité de nos faisceaux d'électrons, ce qui nous permettra de miniaturiser considérablement les futurs accélérateurs, ouvrant ainsi la possibilité de créer des lasers à électrons libres compacts pour les rayons X." Ces travaux montrent que l'accélération par laser à champ de sillage peut avoir des performances comparables à celles des accélérateurs d'électrons de haute énergie pratiques et de haute qualité.
La démonstration du fonctionnement des lasers à électrons libres dans l'ultraviolet extrême est une première étape cruciale vers l'extension de la technologie à des longueurs d'onde plus courtes, ce qui permettra à terme de créer des lasers à électrons libres compacts pour les rayons X". Ces sources lumineuses exceptionnellement puissantes génèrent des rayons X cohérents 10 milliards de fois plus lumineux que le soleil et produisent des impulsions femtosecondes ultra-courtes. Leur utilisation est actuellement limitée aux grandes installations, mais la miniaturisation de ces lasers permettrait de les utiliser dans des laboratoires conventionnels. À l'heure actuelle, l'accélération du champ de sillage par laser est l'un des moyens les plus prometteurs d'y parvenir. Le travail accompli par l'équipe de recherche pour stabiliser le plasma dont dépendent ces accélérateurs est une étape essentielle vers cet objectif.
Le développement d'accélérateurs compacts et de lasers à électrons libres à rayons X permettra des avancées dans des domaines tels que les sciences de la vie, la science des matériaux, le développement de semi-conducteurs et la science quantique. La construction d'accélérateurs de la taille d'un ordinateur de bureau permettrait aux petits laboratoires d'effectuer des recherches qui nécessitent actuellement des installations d'accélérateurs à grande échelle.
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