Au cours des dernières décennies, physiciens et ingénieurs ont tenté de créer des accélérateurs laser-plasma de plus en plus compacts, une technologie permettant d’étudier les interactions matière et particules produites par les interactions entre les faisceaux laser ultrarapides et le plasma. Ces systèmes sont une alternative prometteuse aux machines à grande échelle existantes basées sur des signaux radiofréquence, car ils peuvent être beaucoup plus efficaces pour accélérer les particules chargées.
Alors que les accélérateurs laser-plasma ne sont pas encore largement utilisés, plusieurs études ont mis en évidence leur valeur et leur potentiel. Cependant, pour optimiser la qualité du faisceau laser accéléré produit par ces dispositifs, les chercheurs devront pouvoir surveiller plusieurs processus physiques ultra-rapides en temps réel.
Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences (WIS) en Israël ont récemment mis au point une méthode pour observer directement en temps réel les ondes plasma relativistes non linéaires et pilotées par laser. En utilisant cette méthode, présentée dans un article publié dans Physique naturelleils ont pu caractériser le plasma non linéaire à des résolutions temporelles et spatiales incroyablement élevées.
« L’imagerie d’une onde de plasma micrométrique pilotée par laser qui s’exécute à la vitesse de la lumière est très difficile, ce qui implique l’utilisation d’impulsions de lumière ultra-courtes ou de groupes de particules chargées », a déclaré Yang Wan, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. dit Phys.org. « Alors que la lumière peut révéler des structures dans la densité du plasma, les faisceaux de particules sondent les champs internes des ondes plasma et pourraient ainsi nous donner beaucoup plus d’informations sur l’état de ces ondes, c’est-à-dire leur capacité à injecter et accélérer les électrons du plasma. »
Les travaux récents de Wan et de ses collègues sont basés sur une précédente étude de preuve de principe qu’il a menée avec son ancienne équipe de recherche à l’Université Tsinghua en Chine. Cette étude précédente a essentiellement confirmé la faisabilité de l’imagerie d’ondes sinusoïdales linéaires plus faibles (c’est-à-dire des représentations naturelles du nombre de choses et de systèmes dans la nature qui changent d’état au fil du temps).
« Pour observer directement l’onde plasma hautement non linéaire qui est la plus couramment utilisée pour l’accélération des électrons, nous avons construit deux accélérateurs laser-plasma haute puissance à l’aide de notre système laser double 100 TW au WIS », a expliqué Wan. « Ce système produit une sonde électronique à haute énergie et haute charge et l’autre produit un champ de sillage plasma hautement non linéaire à sonder. Dans cette étude exploratoire, nous avons testé cette nouvelle technique d’imagerie jusqu’à ses limites, en recherchant les structures de champ fines à l’intérieur du ondes de plasma non linéaires. »
L’objectif initial de l’expérience menée par Wan et ses collègues du WIS était d’observer en détail les ondes plasma. Après avoir fait cela, cependant, l’équipe s’est rendu compte que les ondes de plasma non linéaires déviaient les particules de sonde de manière plus intéressante et surprenante, agissant à la fois par les champs électriques et magnétiques.
« Lors du déchiffrement de ces informations avec des modèles théoriques et numériques, nous avons identifié les caractéristiques directement corrélées au pic d’électrons dense à l’arrière de la » bulle de plasma « formée », a déclaré Wan. « Au meilleur de notre connaissance, il s’agit de la première mesure de structures aussi fines à l’intérieur de l’onde plasma non linéaire. »
Wan et ses collègues ont ensuite augmenté la puissance du laser pilote utilisé dans leur expérience. Cela leur a permis d’identifier ce que l’on appelle le « bris d’onde », l’état après lequel une onde de plasma ne peut plus se développer, de sorte qu’elle capture à la place des électrons de plasma dans son champ d’accélération. Le déferlement d’onde est un phénomène physique fondamental, en particulier dans le plasma.
« La première réalisation importante de notre travail est l’imagerie des champs extrêmement puissants des plasmas relativistes, car elle exploite une caractéristique unique de ces accélérateurs laser-plasma – la durée du faisceau de quelques femtosecondes et la taille de la source du faisceau micrométrique, qui fournissent des ultra -haute résolution spatio-temporelle pour capturer les phénomènes microscopiques fonctionnant à la vitesse de la lumière », a déclaré Wan. « En imaginant l’onde plasma, nous avons également observé directement le processus subtil de » déferlement d’onde « , qui en soi était une expérience merveilleuse. »
Remarquablement, la mesure recueillie par cette équipe de chercheurs serait impossible à atteindre en utilisant l’un des accélérateurs conventionnels existants basés sur la technologie des radiofréquences. À l’avenir, leurs travaux pourraient ainsi inspirer d’autres équipes à concevoir des méthodes expérimentales similaires pour mieux observer les nombreuses nuances du plasma.
« Le déferlement d’ondes est également crucial pour les accélérateurs à base de plasma, en raison de la production d’électrons relativistes à partir de l’auto-injection », a déclaré Wan. « Ce mécanisme d’injection est assez important dans les accélérateurs multi-GeV à un étage où il est difficile de maintenir l’injection contrôlée sur une longue durée de fonctionnement. »
Ce travail récent de Wan et de ses collègues pourrait avoir de nombreuses implications importantes pour le développement et l’utilisation des accélérateurs laser-plasma. Plus particulièrement, il introduit un outil précieux pour identifier le processus d’auto-injection d’électrons en temps réel, ce qui permettrait aux chercheurs d’affiner les accélérateurs et d’améliorer la qualité de leurs faisceaux.
« Nous disposons désormais d’un outil unique et puissant pour explorer les champs extrêmes afin d’étudier de nombreuses autres questions fondamentales dans un plus large éventail de paramètres plasma pertinents pour la physique, notamment le champ de sillage piloté par faisceau de particules, l’interaction faisceau-plasma et la dynamique du plasma liée à la fusion », Le professeur Victor Malka, chercheur principal de l’étude et chercheur principal du groupe, a déclaré à Phys.org. « L’avenir est très excitant, et nous sommes impatients d’approfondir l’exploration de phénomènes riches en physique des plasmas. »
Yang Wan et al, Observation directe d’ondes de plasma brisées relativistes, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01717-6
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