Miroir plasma: un pas supplémentaire pour approcher la limite de Schwinger et sonder le vide

Publié par Redbran le 12/08/2022 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Depuis des siècles, les physiciens s'interrogent sur la nature du vide, c'est à dire sur ce qu'il reste, quand on a tout enlevé...Une manière d'envisager ce problème est de tenter d'ouvrir le vide, un peu comme un objet dont on a envie de comprendre le fonctionnement.


L'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...) (QED) fournit l'image d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de paires électrons-positrons chacune en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) virtuelle dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) où leur durée de vie (La vie est le nom donné :) est infiniment brève. Dans les années 50, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) Julian Schwinger (Julian Seymour Schwinger (12 février 1918 - 16 juillet 1994) est un...) prédit qu'au-delà d'un éclairement lumineux supérieurs à 4.7 1029 W/cm2, il devient possible de séparer ces paires de particules et ainsi commencer à "ouvrir" le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Ce seuil d'éclairement est sept ordres de grandeur au-delà des records atteints avec les lasers femtoseconde les plus puissants actuels.

De nombreuses recherches poursuivies par les physiciens des lasers ultra-intenses visent à atteindre ce seuil en ajoutant un étage de compression spatio-temporelle supplémentaire à ces impulsions lasers. C'est l'enjeu des recherches de l'équipe "PHI - Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) à Haute Intensité" du LIDYL, qui montre expérimentalement que la réflexion des impulsions lasers sur un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) permet d'améliorer les records d'éclairement obtenus jusqu'à présent.

En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...), pour séparer les paires de particules et ainsi commencer à matérialiser le vide, il suffit donc d'appliquer a minima le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de Schwinger. Sa valeur est obtenue en multipliant la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) caractéristique d'écrantage de l'interaction qui lie l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et le positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....) (la "longueur "Compton") par le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...), le résultat devant être supérieur à leur énergie de masse (En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie. Tout...) au repos (mc2). On obtient un champ E=1.32 1018 V/m, qui correspond à des éclairements lumineux supérieurs à 4.7x1029 W/cm2, très au-delà des records atteints par les lasers de type petaWatt (1015 W) les plus puissants actuellement, dont les impulsions sont focalisées sur des foyers optiques proches de la limite de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...).

Du fait des limites physiques et technologiques, il n'y a aucun espoir d'augmenter de sept ordres de grandeur l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) contenue dans les impulsions des lasers PetaWatt. Pour tenter d'atteindre le seuil de Schwinger, Il faut donc se concentrer sur les deux paramètres restants: la durée des impulsions et leur focalisation.

En 2019 des simulations PIC (Particle In Cell) en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...), réalisées au laboratoire prédisaient qu'il était possible d'augmenter l'éclairement d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) après réflexion sur un miroir plasma, à même de comprimer spatio-temporellement l'impulsion initiale*. C'est ce qui vient d'être vérifié expérimentalement sur le laser UHI100 du LIDYL. A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), les impulsions lumineuses issues de ce laser permettent d'atteindre des éclairements de l'ordre de 1019 W/cm2.

Pour augmenter l'éclairement, l'équipe focalise ces impulsions sur un miroir, dont la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) va être instantanément ionisée pour osciller à l'échelle du cycle optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) (un miroir plasma), générant par effet Doppler des longueurs d'ondes beaucoup plus courtes (génération d'harmoniques d'ordre élevé) que celle du fondamental du laser incident (800 nm), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en incurvant la surface par pression de radiation (La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement...) (figure 1). La réflexion sur le miroir-plasma apporte trois effets cumulatifs qui augmentent considérablement l'intensité concentrée au foyer:
- les harmoniques générées sont de courte longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) (domaine XUV), donc peuvent être plus fortement focalisées,
- la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) agit comme un miroir parabolique dont la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...) renforce la focalisation,
- grâce à l'effet Doppler provoqué par la réflexion du laser UHI, chaque cycle optique se raccourci temporellement, ajoutant une compression temporelle et l'augmentation de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) instantanée.


Figure 1: Schéma de principe de l'expérience. L'impulsion laser incidente est convertie de l'infra-rouge (800 nm) à l'XUV et focalisée après réflexion sur le miroir plasma.

Pour mesurer l'effet obtenu les expérimentateurs du LIDYL ont mis au point (Graphie) une méthode originale fondée sur la ptychographie (méthode d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) sans lentille) pour caractériser les impulsions spatialement focalisées (à l'échelle du nm) et compressées temporellement (à l'échelle de l'attoseconde)**.

La figure 2 montre la reconstruction spatio-temporelle obtenue après cette réflexion, pour un champ laser incident supérieur à 1019 W/cm2.


Figure 2: Phase et amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) spatiale du champ électrique pour l'harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique...) 9 (H9). Droite: reconstruction temporelle du champ (harmoniques 9 à 14) moyenné spatialement, montrant une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) d'impulsion de 450 as (1 as = 10-18 s).

On note que le profil spatial de la phase de l'harmonique 9 est parabolique, ce qui témoigne de l'action de la pression de radiation provoquée par la distribution d'intensité gaussienne du laser incident. Cet effet renforce la focalisation du faisceau harmonique et la concentration spatiale d'intensité. Avec les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) obtenues pour toutes les harmoniques, l'impulsion au niveau du foyer peut être reconstruite par transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour...) (Figure 2 à droite). Un profil d'intensité de 450 attosecondes (450 x 10-18 s) est ainsi mesuré, à comparer à la durée du cycle optique initial de 2.3 fs.

L'excellente compression spatio-temporelle ainsi observée dans cette expérience confirme l'effet attendu d'une réflexion sur un miroir plasma théoriquement prédite. On observe un gain d'un ordre de grandeur en intensité portant les 1019 W/cm2 initiaux à plus de 1020 W/cm2. Les lasers PetaWatt actuels permettent d'obtenir des intensités sur cible de 1022 W/cm2, ce qui, appliqué sur un miroir plasma doit permettre de gagner un facteur 1000, soit 1025 W/cm2, ce qui rapproche du seuil du "Champ de Schwinger".

Références:

[1] "Spatio-temporal characterization of attosecond pulses from plasma mirrors"
L. Chopineau, A. Denoeud, A. Leblanc, E. Porat, P. Martin, H. Vincenti & F. Quéré, Nature Physics., Vol 17, August (2021)

[2] Achieving Extreme Light Intensities using Optically Curved Relativistic Plasma Mirrors",
H. Vincenti, Phys. Rev. Lett.RL 123, (2019) 105001

*Miroir plasma, voir le fait marquant: "Code de calcul massivement parallèle pour une simulation ab-initio de l'interaction laser-matière à ultra-haute intensité: atteindre une compression de 1025 W.cm-2"

**Voir le fait marquant LIDYL 2022: "Caractérisation spatio-temporelle d'impulsions attosecondes de très haute intensité par ptychographie".

Contact CEA-IRAMIS: Philippe Martin et Henri Vincenti, (LIDYL/PHI)

Collaboration:
- Adrien Leblanc, LOA - Laboratoire d'Optique Appliquée, ENSTA-Paristech, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Ecole Polytechnique, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Polytechnique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), Palaiseau.
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