Ils ont créé un laser aussi puissant qu'un million de centrales nucléaires : voici à quoi il va servir

Un "super-flash" pour photographier l'infiniment rapide

Au cœur du prestigieux SLAC National Accelerator Laboratory, aux États-Unis, une équipe de chercheurs vient de réussir un exploit. Ils ont créé un faisceau d'électrons ultracourt d'une puissance inégalée, cinq fois supérieure à tout ce qui avait été réalisé jusqu'à présent. 

Publiée dans la très sérieuse revue Physical Review Letters, cette avancée n'est pas qu'un simple record technique. C'est l'invention d'un nouvel instrument d'exploration, une sorte de caméra capable de prendre des clichés à l'échelle de la femtoseconde, soit un millionième de milliardième de seconde.

Pour comprendre, il faut imaginer que les phénomènes physiques et chimiques sont comme des films qui se déroulent à une vitesse vertigineuse. Pour les comprendre, il ne suffit pas de les regarder, il faut pouvoir les décomposer image par image. "Non seulement nous pouvons créer ce faisceau d'électrons surpuissant, mais nous pouvons aussi le contrôler à la demande", explique Claudio Emma, scientifique au SLAC et l'un des auteurs principaux de l'étude. "Cela signifie que nous pouvons sonder une gamme de phénomènes bien plus large que jamais auparavant." De la danse des molécules à la physique des matériaux, c'est tout un pan de l'infiniment petit et de l'infiniment rapide qui devient accessible à l'observation.

La fin d'un compromis : comment dépasser les limites de la physique

Jusqu'à aujourd'hui, les physiciens faisaient face à un dilemme, un compromis frustrant. Pour obtenir un faisceau d'électrons très puissant, il fallait le comprimer de manière drastique. La méthode traditionnelle consistait à utiliser des champs de micro-ondes pour accélérer des "paquets" de milliards d'électrons. 

Mais cette méthode avait un défaut rédhibitoire. En accélérant, les électrons perdent de l'énergie sous forme de rayonnement, ce qui dégrade la "qualité" du faisceau. Il fallait donc choisir : soit un faisceau très puissant mais de qualité médiocre, soit un faisceau de haute qualité mais moins puissant. Il était impossible d'avoir les deux. "Nous ne pouvions pas appliquer les méthodes traditionnelles pour comprimer les électrons à une échelle inférieure au micromètre tout en préservant la qualité du faisceau", précise Claudio Emma.

La révolution du laser

La solution est venue d'une autre technologie : le laser. En utilisant des lasers pour "sculpter" et moduler l'énergie des électrons au tout début de leur course, l'équipe du SLAC a trouvé un moyen d'une précision diabolique. "Le grand avantage du laser est que nous pouvons appliquer une modulation d'énergie beaucoup plus précise qu'avec les micro-ondes", ajoute le chercheur.

Le défi était immense : il fallait que cette mise en forme, réalisée sur les 10 premiers mètres d'un accélérateur long d'un kilomètre, reste parfaitement intacte jusqu'à la compression finale.

Après des mois de tests et d'ajustements minutieux, le résultat est là. L'équipe est désormais capable de produire de manière répétée un faisceau d'électrons d'une puissance de crête de l'ordre du pétawatt, avec un courant de 100 kiloampères, cinq fois plus élevé que ce qui était possible auparavant. Un bond de géant.

Recréer des étoiles en laboratoire : les applications sont infinies

Ce nouvel outil ouvre des perspectives vertigineuses dans des domaines scientifiques extrêmement variés. En astrophysique, par exemple, les chercheurs vont pouvoir diriger ce faisceau sur une cible pour recréer en laboratoire des filaments de matière similaires à ceux que l'on observe dans les étoiles ou les nébuleuses. "Les scientifiques savent que ces filaments existent, mais nous pouvons maintenant tester comment ils se forment et évoluent en laboratoire avec un niveau de puissance que nous n'avions jamais eu", explique Claudio Emma.

D'autres chercheurs du SLAC ont déjà commencé à utiliser ce faisceau surpuissant pour faire progresser la technologie des accélérateurs à plasma, une piste prometteuse pour les futures générations d'accélérateurs de particules. L'équipe de Claudio Emma est particulièrement enthousiaste à l'idée de pouvoir compresser encore davantage ces faisceaux pour créer des impulsions lumineuses à l'échelle de l'attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde).

Cela permettrait d'avoir deux sondes complémentaires : le faisceau d'électrons et l'impulsion lumineuse, agissant comme un appareil photo et son flash, tous deux d'une rapidité inouïe. "C'est une capacité unique, et nous pouvons faire beaucoup de choses avec cela", conclut le chercheur, qui lance une invitation à la communauté scientifique mondiale : "Si vous avez besoin d'un faisceau extrême, nous avons l'outil pour vous, travaillons ensemble."