Un contrôle des paquets d'électrons dans les synchrotrons pour un rayonnement térahertz intense et stable
Publié par Redbran le 20/06/2019 à 14:00
Source: CNRS INP

crédit: CAVOK Production - Laurent PERSIN
Dans les synchrotrons, des paquets d'électrons circulant en anneau émettent des rayonnements qui sont très largement utilisés pour sonder la matière. Lorsque ces paquets comprennent beaucoup d'électrons et deviennent instables, ils émettent un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) térahertz cohérent particulièrement intense, mais trop irrégulier pour être utilisé. Grâce à des techniques inspirées des méthodes du contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du chaos, le rayonnement térahertz cohérent peut cependant être stabilisé.

Les synchrotrons produisent des rayonnements sur une très large gamme spectrale: du térahertz jusqu'aux rayons X durs. Ces rayonnements sont émis par des paquets d'électrons relativistes, dont la vitesse (On distingue :) est très proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...). Les électrons d'un paquet sont en constante interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.), entre eux et avec leur rayonnement et leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels,...), et, à partir d'un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».), l'augmentation de ces interactions pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) systématiquement les électrons à se regrouper en petits ensembles au sein du paquet, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) des microstructures instables (phénomène dit de microbunching). À la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de ces microstructures, leur rayonnement devient alors cohérent: les ondes émises par les différents électrons dans les différents micro-paquets sont en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) les unes par rapport aux autres. Dans cet état, le rayonnement térahertz obtenu est typiquement 10 000 à 100 000 fois plus intense que le rayonnement térahertz classique, incohérent. En effet, la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) d'un rayonnement incohérent est proportionnelle au nombre d'électrons dans le paquet tandis que, pour un rayonnement cohérent, elle est proportionnelle au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre...) de ce nombre. Ce rayonnement cohérent est malheureusement émis habituellement sous forme de bouffées erratiques, ce qui le rend trop irrégulier pour profiter de sa puissance exceptionnelle.


a) Vue aérienne du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) (crédit: CAVOK Production - Laurent PERSIN).
b) émission d'une impulsion térahertz cohérente par un paquet d'électrons dans un anneau de stockage, due à la présence de microstructures. Ce rayonnement térahertz intense apparaît généralement sous la forme de bouffées.
c) Signaux térahertz avant et pendant l'utilisation d'une boucle de rétroaction.

Des chercheurs du laboratoire Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des lasers, atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) et molécules (PhLAM, CNRS/Université de Lille) et du synchrotron SOLEIL ont cependant stabilisé un rayonnement térahertz cohérent. Ces travaux, publiés dans Nature Physics, reposent sur une boucle de rétroaction. Dans un synchrotron, les paquets d'électrons tournent en effet dans un anneau et émettent un rayonnement qui leur fait perdre de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Celle-ci leur est restituée sous forme électromagnétique par des cavités radiofréquences. Les chercheurs jouent alors sur ce signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la...), réinjecté et recalculé à chaque tour d'anneau, pour maintenir les paquets d'électrons dans des états où ils émettent un rayonnement térahertz cohérent (figure). Résultat, le rayonnement gagne enfin la régularité qui lui faisait défaut grâce à une opération qui consomme très peu d'énergie. Cette solution fonctionne pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) sur une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable...) de courants, c'est-à-dire un nombre d'électrons dans le paquet, réduite. Les chercheurs comptent bien l'étendre afin, à terme, de pouvoir pleinement utiliser ce rayonnement cohérent, par exemple pour de mesures de spectroscopie haute résolution.

Référence:

Stable coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company comme l'un des premiers systèmes de type UNIX pour ordinateur IBM PC-compatible. Coherent était capable de tourner sur la plupart...) terahertz synchrotron radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) from controlled relativistic electron bunches,
Evain C., Szwaj C., Roussel E., Rodriguez J., Le Parquier M., Tordeux M.A., Ribeiro F., Labat M., Hubert N., Brubach J.B., Roy P., Bielawski S., Nature Physics, le 8 avril 2019. DOI: 10.1038/s41567-019-0488-6.

Lire l'article sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.

Contacts chercheurs:
- Clément Evain - Enseignant-chercheur au PhLAM - clement.evain at univ-lille1.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) INP: inp.com at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
Page générée en 0.008 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique