Lorsque des électrons ultrarapides sont déviés, ils émettent de la lumière, appelée rayonnement synchrotron. Ce rayonnement est utilisé dans ce que l’on appelle des anneaux de stockage, dans lesquels des aimants forcent les particules à suivre un chemin fermé. Cette lumière est incohérente longitudinalement et se compose d’un large spectre de longueurs d’onde.
Sa brillance élevée en fait un excellent outil pour la recherche sur les matériaux. Les monochromateurs peuvent être utilisés pour sélectionner des longueurs d’onde individuelles dans le spectre, mais cela réduit la puissance radiante de plusieurs ordres de grandeur à des valeurs de quelques watts seulement.
Mais et si un anneau de stockage délivrait plutôt une lumière monochromatique et cohérente avec des puissances de plusieurs kilowatts, analogue à un laser haute puissance ? Le physicien Alexander Chao et son doctorant Daniel Ratner ont trouvé une réponse à ce défi en 2010 : si les paquets d’électrons en orbite dans un anneau de stockage deviennent plus courts que la longueur d’onde de la lumière qu’ils émettent, le rayonnement émis devient cohérent et donc des millions de fois plus puissant. .
« Il faut savoir que les électrons dans un anneau de stockage ne sont pas répartis de manière homogène », explique Arnold Kruschinski, Ph.D. étudiant à HZB et auteur principal de l’article. « Ils se déplacent en groupes d’une longueur typique d’environ un centimètre et d’une distance d’environ 60 centimètres. C’est six ordres de grandeur de plus que les micro-groupes proposés par Chao. »
Le théoricien chinois Xiujie Deng a défini un ensemble de paramètres pour un type spécifique d’accélérateur circulaire, les anneaux isochrones ou « à faible alpha », pour le projet Steady-State Micro-Bunching (SSMB). Après avoir interagi avec un laser, ceux-ci créent de courts paquets de particules qui ne mesurent qu’un micromètre de long.
L’équipe de recherche du HZB, de l’Université Tsinghua et du PTB a déjà démontré que cela fonctionne lors d’une expérience de démonstration de principe en 2021. Ils ont utilisé la source de lumière métrologique (MLS) à Adlershof, le premier anneau de stockage jamais conçu pour un fonctionnement à faible alpha. L’équipe a désormais pu vérifier pleinement la théorie de Deng sur la génération de micro-groupes au cours d’expériences approfondies. « Pour nous, il s’agit d’une étape importante vers un nouveau type de source de rayonnement SSMB », explique Kruschinski.
Mais le chef de projet du HZB, Jörg Feikes, est convaincu qu’il faudra encore du temps pour y parvenir. Il voit des parallèles entre le SSMB et le développement des lasers à électrons libres.
« Après des expériences initiales et des décennies de travail de développement, cette idée s’est transformée en un accélérateur supraconducteur d’un kilomètre de long », explique-t-il. « Ce genre de développement est un travail de très longue haleine. Cela commence par une idée, puis une théorie, puis il y a des expérimentateurs qui la concrétisent petit à petit et je pense que le SSMB évoluera de la même manière. »
Plus d’information:
Arnold Kruschinski et al, confirmant le fondement théorique du microbunching à l’état stationnaire, Physique des communications (2024). DOI: 10.1038/s42005-024-01657-y