À l'intérieur d'un laboratoire exigu à Shanghai, en Chine, le physicien Ruxin Li et ses collègues ont établi des records avec les impulsions lumineuses les plus puissantes que le monde ait jamais vues. Au cœur de leur laser, le Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), se trouve un unique cylindre de saphir dopé au titane de la taille d'une grande plaque. Après s'être allumée dans le cristal, la lumière passe à travers un système de lentilles et de miroirs et se transforme en impulsions d'une puissance incroyable. En 2016, l'installation a atteint une capacité de 5,3 PW (petawatt, 10
15 W). Cependant, à Shanghai, la lumière ne s'éteint pas à chaque démarrage du laser. Bien que ces impulsions soient extrêmement puissantes, elles sont également extrêmement courtes - chacune d'elles ne dure pas plus d'un billionième de seconde. Maintenant, les chercheurs mettent à jour leur laser et espèrent battre leur propre record d'ici la fin de cette année, créant une impulsion de 10 PW, qui est 1000 fois la puissance de tous les réseaux électriques du monde.
Mais les ambitions du groupe ne s'arrêtent pas là. Cette année, Lee et ses collègues sont sur le point de commencer à construire un laser 100-PW appelé Station of Extreme Light (SEL). D'ici 2023, il devrait être capable de déclencher des impulsions dans une pièce à 20 mètres sous terre, exposant la cible à des températures et des pressions extrêmes que l'on ne trouve pas sur Terre - ce sera une célébration pour tous les astrophysiciens et scientifiques des matériaux. En outre, le laser sera en mesure de démontrer une nouvelle façon d'accélérer les particules, qui trouvera une application en médecine et en physique des hautes énergies. Mais la chose la plus intéressante, selon Lee, sera de montrer comment la lumière peut tirer les électrons et leurs jumeaux de l'antimatière, des positrons, de l'espace vide - ce phénomène est connu sous le nom de «rupture sous vide». Ce sera une démonstration étonnante de l'interchangeabilité de la matière et de l'énergie, qui postule la célèbre équation d'Albert Einstein, E = mc
2 . Bien que les armes nucléaires soient connues pour transformer la matière en une énorme quantité de chaleur et de lumière, le processus inverse n'est pas si facile à lancer. Mais Lee dit que SEL peut le gérer. «Ce sera très excitant», dit-il. "Cela signifie que vous pouvez créer quelque chose à partir de rien."
Une équipe chinoise de scientifiques "sert définitivement d'avant-garde" sur le chemin de 100 PW, explique Philip Bucksbaum, physicien nucléaire à l'Université de Stanford. Mais ils ont suffisamment de rivaux. Au cours des prochaines années, des appareils 10-PW seront opérationnels en Roumanie et en République tchèque dans le cadre de la recherche européenne
Extreme Light Infrastructure , bien que ce projet ait récemment retardé la construction d'un laser 100-PW. Les physiciens russes ont
développé une configuration laser 180-PW pour le projet du Centre d'Exawatt pour les études de lumière extrême (
XCELS ) [
non seulement développé - le projet figure déjà sur la liste des mégaprojets 2010-2020 / env. perev. ], et les Japonais ont proposé de créer un appareil d'une capacité de 30 PW.
Les scientifiques américains ont abandonné la compétition des hautes énergies, selon une étude publiée le mois dernier par les National Academies of Science, Engineering and Medicine, un groupe présidé par Bucksbaum. Cette étude appelle le département américain de l'Énergie à planifier au moins une usine à haute énergie, ce qui donne de l'espoir aux chercheurs de l'Université de Rochester à New York qui développent des plans pour construire un laser 75-PW, la ligne d'amplificateur paramétrique optique (OPAL). Elle pourra profiter des lasers d'
OMEGA-EP , l'un des lasers les plus puissants des États-Unis. «Le rapport des académies encourage l'action», a déclaré Jonathan Zugel, qui dirige le projet OPAL.
Les lasers, inventés dans les années 1960, utilisent un système de pompage externe, comme une lampe flash, pour exciter les électrons dans les atomes du matériau sous-jacent au laser - généralement un gaz, un cristal ou un semi-conducteur. Lorsque chacun de ces électrons revient à un état non excité, il émet un photon, qui à son tour stimule un autre électron pour émettre un photon, et ainsi de suite. Contrairement aux rayons de lumière divergents, les photons d'un laser produisent un flux dense avec une longueur d'onde spécifique.
La puissance étant de l'énergie par unité de temps, il existe deux façons de la maximiser: augmenter l'énergie laser ou diminuer la durée de l'impulsion. Dans les années 1970, des chercheurs du Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie se sont concentrés sur la première option, augmentant l'énergie laser en redirigeant les rayons à travers des cristaux générateurs supplémentaires composés de verre dopé au néodyme. Cependant, un faisceau au-dessus d'une certaine intensité peut endommager les amplificateurs. Pour éviter cela, le Laboratoire a dû augmenter sa taille à des dizaines de centimètres de diamètre. Mais en 1983, Gérard Mourou, qui travaille actuellement à l'École polytechnique de Paris, et ses collègues ont fait une percée. Il a réalisé que de brèves impulsions laser peuvent être étirées dans le temps - ce qui les rend moins intenses - en utilisant un réseau de diffraction, qui distribue l'impulsion en fonction de ses couleurs constitutives. Une fois la lumière amplifiée à des énergies plus élevées, elle peut être recompressée à l'aide d'un second réseau de diffraction. Le résultat est une impulsion plus puissante qui n'endommage pas l'amplificateur.
L'amplification d'impulsions chirped est devenue la base des lasers à haute énergie. En 1996, il a permis aux chercheurs du LLNL d'obtenir la première impulsion de petawatt au monde à l'aide d'un laser Nova. Depuis lors, le LLNL a augmenté l'énergie laser dans le but de réaliser la fusion nucléaire.
Le complexe national d'allumage génère des impulsions contenant une incroyable 1,8 MJ d'énergie dans le but de chauffer de minuscules capsules d'hydrogène à des températures de synthèse. Cependant, ces impulsions sont relativement longues et atteignent toujours une puissance ne dépassant pas 1 PW.
Pour augmenter la puissance, les scientifiques se sont tournés vers le domaine temporel de la recherche: ils essaient de stocker l'énergie du pouls dans des périodes de plus en plus courtes. Une approche consiste à amplifier la lumière dans des cristaux de saphir avec l'ajout de titane, qui produit de la lumière avec une large propagation de fréquence. Dans la caméra miroir, ces impulsions, réfléchies, sautent ici et là, et cela peut être fait de sorte que pour la plus grande partie de la longueur d'impulsion, les composantes de fréquence individuelles se détruisent mutuellement, tout en s'amplifiant sur un petit segment de l'impulsion d'une longueur de seulement quelques dizaines de femtosecondes. Si vous pompez de telles impulsions avec une énergie de plusieurs centaines de joules, vous pouvez obtenir une puissance de crête de 10 PW. C'est ainsi que le SULF et d'autres lasers à base de saphir peuvent battre des records de puissance en utilisant un équipement qui tient dans une grande pièce ne valant que des dizaines de millions de dollars - malgré le fait que le National Ignition Complex coûte 3,5 milliards de dollars et occupe un bâtiment de dix étages avec trois places de football champs.
L'augmentation de la puissance d'impulsion d'un ordre de grandeur, de 10 PW à 100 PW, nécessitera encore plus de tours. Une approche consiste à augmenter l'énergie d'impulsion de centaines à des milliers de joules. Mais les lasers à base de saphir et de titane n'atteignent guère de telles énergies, car les gros cristaux qui ne souffrent pas de puissances élevées ont tendance à émettre de la lumière à angle droit par rapport au faisceau, gaspillant ainsi de l'énergie. Par conséquent, les scientifiques des projets SEL, XCELS et OPAL ont placé leurs espoirs dans les amplificateurs optiques paramétriques. Ils prennent une impulsion étirée par un réseau de diffraction et l'envoient à un cristal artificiel non linéaire, dans lequel l'énergie du second faisceau de pompage peut être envoyée à l'impulsion. La recompression de l'impulsion haute énergie résultante augmente son énergie.
L'une des possibilités de se rapprocher de la barre des 100 PW est de combiner plusieurs impulsions - quatre impulsions de 30 PW chacune dans le cas de SEL et une douzaine d'impulsions de 15 PW dans le cas de XCELS. Mais appliquer des impulsions d'une durée de quelques fs seulement sera "très, très difficile", explique Konstantin Häfner, spécialiste laser LNLL. Même une légère vibration ou un changement de température peut les rejeter, dit-il. OPAL essaiera de générer une impulsion de 75 PW en utilisant un seul faisceau.
Muro voit une manière différente d'atteindre une puissance de 100 PW: l'ajout d'un deuxième étage de compression d'impulsions. Il suggère d'utiliser des films plastiques minces afin d'élargir la gamme d'impulsions avec une puissance de 10 PW, puis de compresser ces impulsions à quelques femtosecondes afin d'augmenter fortement la puissance à 100 PW.
Lorsque les créateurs des lasers atteindront leur objectif de puissance, ils seront confrontés à un autre défi: la focalisation très précise du faisceau. De nombreux scientifiques accordent plus d'attention non pas à la puissance totale, mais à l'intensité - puissance par unité de surface. Si vous obtenez une mise au point plus fine, l'intensité augmentera. Si une impulsion de 100 PW peut être focalisée sur une zone de 3 μm, comme Lee prévoit de le faire sur SEL, l'intensité du faisceau dans cette région atteindra un incroyable 10
24 par cm
2 - c'est 25 ordres de grandeur, soit 10 billions de milliards de fois plus que celui de la lumière du soleil atteignant la terre.
De telles intensités ouvriront la voie à la rupture du vide. Selon la
théorie de l'électrodynamique quantique , qui décrit l'interaction des champs électromagnétiques avec la matière, le vide n'est pas aussi vide, comme le prétend la physique classique. Sur des échelles de temps extrêmement petites, des paires d'électrons et de positrons apparaissent de nulle part en raison de l'incertitude inhérente à la mécanique quantique. En raison de leur attirance mutuelle, ils s'anéantissent presque immédiatement les uns avec les autres.
Mais un laser très intense, en principe, pourrait séparer ces particules avant qu'elles n'entrent en collision. Comme toute onde électromagnétique, un faisceau laser contient un champ électrique oscillant. Avec une intensité croissante, la force du champ électrique augmente également. À une intensité de l'ordre de 10
24 W / cm
2, le champ sera suffisamment fort pour commencer à briser l'attraction mutuelle entre certaines des paires électron-positon, comme
Alexander Mikhailovich Sergeev , ancien directeur de l'Institut de physique appliquée de l'Académie russe des sciences à Nijni Novgorod, aujourd'hui président RAS. Le champ laser va secouer ces particules, les faisant émettre des ondes électromagnétiques - dans ce cas, des rayons gamma. Ces rayons généreront de nouvelles paires électron-positon, etc., ce qui entraînera une cascade de particules et de radiations détectables. «Ce sera une physique complètement nouvelle», explique Sergeyev. Il ajoute que l'énergie des photons gamma sera suffisante pour amener les atomes dans un état excité, et ainsi une nouvelle branche de la physique va naître, la "photonique nucléaire" - l'utilisation de la lumière intense pour contrôler les processus nucléaires.
Des amplificateurs OMEGA-EP de l'Université de Rochester, éclairés par des lampes de poche, pourraient alimenter un laser américain de haute puissanceUne façon de briser le vide consiste à concentrer un seul faisceau laser sur une zone vide de la chambre à vide. Mais il sera plus facile de heurter deux faisceaux, car cela augmente la valeur de l'impulsion nécessaire pour générer de la masse pour les électrons et les positrons. Dans SEL, les photons n'entreront pas directement en collision. Premièrement, les impulsions feront sortir des électrons de l'hélium. Ensuite, d'autres photons du faisceau laser seront réfléchis par les électrons et convertis en rayons gamma de haute énergie. Certains d'entre eux entreront en collision avec les photons du faisceau.
La simple fixation de telles
collisions de photons sera une réalisation scientifique sérieuse. La physique classique insiste sur le fait que deux rayons de lumière doivent se traverser sans résistance, mais certaines des premières prédictions de l'électrodynamique quantique suggèrent que les photons convergents peuvent parfois se disperser l'un sur l'autre. «De telles prédictions ont été faites au début des années 1930», explique Tom Heinzl, physicien théoricien à l'Université de Plymouth en Grande-Bretagne. «Ce serait bien de pouvoir les confirmer expérimentalement.»
En plus de fabriquer des lasers plus puissants, les chercheurs veulent également qu'ils tirent plus rapidement. Les lampes à impulsion qui pompent l'énergie primaire dans les lasers doivent être refroidies de plusieurs minutes à plusieurs heures entre les prises de vue, ce qui complique les études nécessitant de grandes quantités de données - par exemple, l'étude de cas dans lesquels les photons se transforment en particules mystérieuses de matière noire, qui constituent la majeure partie de la masse de l'Univers . «Très probablement, pour voir cela, vous devrez prendre beaucoup de photos», explique Manuel Hegelich, physicien à l'Université du Texas à Austin.
Un taux de répétition d'impulsions plus élevé est un point clé dans l'utilisation de lasers à haute énergie pour contrôler les faisceaux de particules. Dans un schéma, un faisceau intense doit transformer une cible métallique en plasma, libérant des électrons, qui à leur tour chassent les protons des noyaux de la surface métallique. Les médecins pourraient utiliser de tels protons pour détruire les tumeurs cancéreuses - et une vitesse de travail élevée faciliterait l'exécution des procédures à petites doses individuelles.
Les physiciens rêvent d'accélérateurs de particules fonctionnant sur le principe des impulsions laser rapides. Lorsqu'une impulsion laser intense entre en collision avec un plasma d'électrons et d'ions positifs, elle pousse les électrons les plus légers vers l'avant, séparant les charges et créant un champ électrique secondaire qui attire les ions après la lumière, comme l'eau dans le sillage d'un bateau. Une telle "onde de sillage laser" peut accélérer les particules chargées à de hautes énergies dans un espace délimité par quelques millimètres - par rapport aux accélérateurs multimètres conventionnels. Ainsi, à l'aide d'aimants, les électrons accélérés peuvent transmettre des vibrations et créer un laser à électrons libres (FEL), qui crée des éclairs de rayons X extrêmement lumineux et courts qui peuvent éclairer des phénomènes chimiques et biologiques à court terme. Le FEL sur un laser pourrait devenir beaucoup plus compact et moins cher que ceux qui fonctionnent sur la base d'accélérateurs conventionnels.
À long terme, les électrons accélérés par la répétition rapide d'impulsions laser à des puissances de l'ordre de PW peuvent réduire considérablement le coût de la machine dont rêvent les physiciens: un collisionneur électron-positon de 30 kilomètres, qui devrait devenir le successeur du Grand collisionneur de hadrons du CERN. Un appareil à base de laser 100-PW peut être pas moins de 10 fois plus court et moins cher que la machine de 10 milliards de dollars actuellement prévue, explique Stuart Mangles, spécialiste du plasma à l'Imperial College de Londres.
Pour le collisionneur linéaire et le FEL, il faudra des milliers, voire des millions, de tirs par seconde, ce qui est bien au-delà de la technologie moderne. L'une des possibilités que Muro explore avec ses collègues est d'essayer de combiner la sortie de milliers d'amplificateurs à fibre à déclenchement rapide qui n'ont pas besoin d'être pompés avec des lampes flash. Une autre option consiste à remplacer les lampes flash par des lasers à diodes, qui, bien que coûteuses, peuvent devenir moins chères en production de masse.
Jusqu'à présent, le groupe Lee en Chine et ses rivaux en Russie et aux États-Unis se concentrent sur les questions de pouvoir. Yefim Khazanov, un spécialiste du laser IPF, dit que XCELS sera prêt d'ici 2026 - si le gouvernement accepte de lui allouer de l'argent, environ 12 milliards de roubles (environ 200 millions de dollars). OPAL, quant à lui, semble être une option relativement rentable, située entre 50 et 100 millions de dollars, selon Zugel.
Mais le premier laser à briser le vide est probablement le SEL chinois. En juillet dernier, le Comité international des scientifiques a décrit la conception conceptuelle du laser comme «sans équivoque et convaincant», et Lee espère obtenir l'approbation du gouvernement pour des fonds dans la zone de 100 millions de dollars cette année. Lee dit que les autres pays ne devraient pas avoir l'impression de rester dans l'ombre lorsque le laser le plus puissant du monde s'allume - car SEL fonctionnera comme un projet international. Zugel dit qu'il n'aime pas "être sur la touche", mais admet que les positions du groupe chinois sont fortes. "La Chine a beaucoup d'argent", dit-il, "et beaucoup de gens très intelligents." Ils développent encore de nombreuses technologies, mais ils le font rapidement. »