Des scientifiques ont créé le faisceau d’électrons ultracourts le plus puissant au monde

Des scientifiques ont créé un faisceau d’électrons ultracourt dont le courant de crête est cinq fois supérieur à celui de tout autre faisceau similaire sur Terre.

Décrite dans un article publié dans Physical Review Letters, cette réalisation relève l’un des grands défis de la physique des accélérateurs de particules et des faisceaux et ouvre la voie à de nouvelles découvertes dans un large éventail de domaines scientifiques, notamment la chimie quantique, l’astrophysique et la science des matériaux.

« Non seulement nous pouvons créer un faisceau d’électrons aussi puissant, mais nous sommes également capables de contrôler le faisceau de manière personnalisée et à la demande, ce qui signifie que nous pouvons sonder un éventail de phénomènes physiques et chimiques beaucoup plus large que jamais auparavant », a déclaré Claudio Emma, scientifique au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie, chercheur à la Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET-II) du SLAC et auteur principal de la nouvelle étude.

L’équilibre des forces

Comme le souligne le document Accelerator and Beam Physics Roadmapublié en 2022, l’un des plus grands défis pour les physiciens – jusqu’à présent – a été de produire des faisceaux d’électrons beaucoup plus puissants tout en préservant la qualité du faisceau.

Traditionnellement, un champ de micro-ondes est utilisé pour comprimer et concentrer le faisceau d’électrons. Les électrons à l’intérieur du champ sont disposés en quinconce, de sorte que ceux qui se trouvent à l’arrière ont plus d’énergie que ceux qui se trouvent à l’avant. C’est un peu comme les coureurs échelonnés au départ d’une course d’athlétisme, explique Claudio Emma. « Nous les envoyons ensuite dans un virage, de sorte que les électrons de l’arrière rattrapent ceux de l’avant, et à la fin, vous avez un tas d’électrons réunis dans un faisceau focalisé ».

Le problème de cette approche est qu’en accélérant, les électrons émettent des radiations et perdent de l’énergie, ce qui détériore la qualité du faisceau. Il faut donc trouver un compromis entre l’énergie et la qualité du faisceau. « Nous ne pouvons pas appliquer les méthodes traditionnelles pour comprimer des paquets d’électrons à l’échelle submicronique tout en préservant la qualité du faisceau », ajoute Claudio Emma.

Des lasers pour gagner

Pour résoudre ce problème, les chercheurs du SLAC ont comprimé des milliards d’électrons sur une longueur inférieure à un micromètre à l’aide d’une technique de mise en forme par laser développée à l’origine pour les lasers à électrons libres à rayons X, tels que la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC. « Le grand avantage de l’utilisation d’un laser est que nous pouvons appliquer une modulation d’énergie beaucoup plus précise que ce que nous pouvons faire avec des champs de micro-ondes », a ajouté le scientifique.

Mais il ne suffit pas de lancer quelques lasers dans un tunnel. « Nous avons une machine d’un kilomètre de long, et le laser interagit avec le faisceau dans les 10 premiers mètres, de sorte que vous devez obtenir la forme exacte, puis vous devez transporter le faisceau sur un autre kilomètre sans perdre cette modulation, et vous devez le comprimer », a t-il commenté. « Ce n’était donc pas facile. »

Après plusieurs mois de tests et de perfectionnement de leur technique de mise en forme du laser, Emma et son équipe peuvent désormais produire de manière répétée des faisceaux d’électrons à haute énergie, d’une durée de femtoseconde et d’une puissance de crête de l’ordre du pétawatt, dont l’intensité est environ cinq fois supérieure à ce qui pouvait être obtenu auparavant.

Un nouvel outil incroyable

Ce nouveau faisceau permettra aux scientifiques d’étudier toute une série de phénomènes naturels, notamment de tester des hypothèses en physique quantique, en science des matériaux et en astrophysique.

En astrophysique, par exemple, ce faisceau peut être dirigé vers une cible solide ou gazeuse pour créer un filament semblable à ceux que l’on observe dans les étoiles. « Les scientifiques savent que ces filaments existent, mais nous pouvons désormais tester la manière dont ils apparaissent et évoluent en laboratoire avec un niveau de puissance inégalé jusqu’à présent », a détaillé Claudio Emma.

Les autres chercheurs de FACET-II se sont précipités sur le faisceau plus puissant et l’ont déjà appliqué pour faire progresser la technologie du champ de sillage du plasma. Emma est particulièrement enthousiaste à l’idée de comprimer davantage ces faisceaux pour produire des impulsions lumineuses attosecondes, ce qui permettrait d’améliorer les capacités attosecondes actuelles du LCLS et de stimuler encore davantage la science de pointe. « Si le faisceau sert de caméra rapide, vous disposez également d’une impulsion lumineuse très courte, et vous avez soudain deux sondes complémentaires », dit encore Claudio Emma. « C’est une capacité unique et nous pouvons faire beaucoup de choses avec cela ».

Emma et ses collègues se réjouissent des perspectives offertes par ce nouveau faisceau d’électrons. « Nous disposons d’une installation vraiment passionnante et intéressante à FACET-II où les gens peuvent venir faire leurs expériences », a-t-il conclu. « Si vous avez besoin d’un faisceau extrême, nous avons l’outil qu’il vous faut ».

Légende illustration : Claudio Emma et Brendan O’Shea examinent le matériel expérimental à FACET-II en 2022. (Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory)

Article: « Experimental Generation of Extreme Electron Beams for Advanced Accelerator Applications » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.085001