Physique des Ultra-Hautes Intensités (UHI)
Publié par Redbran le 15/01/2019 à 14:00
Source: CEA-IRAMIS

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[i]Un code de calcul massivement parallèle pour une simulation ab-initio réaliste et prédictive de l'interaction laser-matière à ultra-haute intensité

L'avènement des lasers femtosecondes (1fs = 10^-18 s) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) avec la technique "Chirped Pulse Amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.)" (CPA) [1] permet aujourd'hui de délivrer des intensités lumineuses gigantesques (> 10^21 W.cm^-2) associées à des champs électriques ultra-intenses de l'ordre de 10^13 V.m^-1. Dans ces conditions extrêmes, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) devient plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent en...) et le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) peut accélérer des particules chargées (électrons/ions) du plasma à des vitesses relativistes en quelques attosecondes (1as = 10^-18 s). La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) associée à ces nouveaux régimes, appelée physique des Ultra-Hautes Intensités (UHI), est ultra-relativiste, fortement non-linéaire et hors-équilibre, ce qui rend son étude particulièrement importante d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) fondamental.

Les codes "Particle in Cell" - code PIC - sont particulièrement adaptés pour modéliser ces types de plasmas. Ils permettent de tester finement tous les effets de l'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...) laser-matière, lorsque l'on manipule des impulsions ultra-courtes et ultra-intenses, et surtout permettent de proposer de nouveaux modes expérimentaux. Comparé au régime térawatt, il est ainsi montré que de nouveaux phénomènes apparaissent lors de la focalisation d'une impulsion laser d'une puissance supérieure au pétawatt (> 1 PW = 10^15 W) sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) solide: du fait de l'effet doppler et de la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) induite par l'extrême pression de radiation (La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement électromagnétique. Cet effet fut déduit théoriquement par James Maxwell en 1871 et fut...), un facteur 500 est prédit sur l'intensité du champ réfléchi par un "miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est...) plasma", pouvant alors atteindre 10^25 W.cm^-2 au point focal.

Aujourd'hui, l'avènement des lasers PettaWatt (PW) (e.g. APOLLON (Apollon (en grec ancien ?π?λλων / Apóllôn, en latin Apollo) est le dieu archer grec de la clarté solaire, de la raison, des arts et plus précisément de...), ELI, BELLA) capables de délivrer des intensités supérieures à 10^22 W.cm^-2, ouvrent de nouvelles perspectives pour la physique UHI. Ces nouveaux lasers permettront de produire des sources de particules et de lumières ultra-compactes et ultra-brèves aux applications extrêmement prometteuses (X-FEL compacts, hadronthérapie, collisioneurs de particules du futur, etc...).

Le succès des installations lasers PW et l'avancement de la physique UHI dépendront du fort couplage entre les expériences et les simulations 'premiers principes' de type Particle-In-Cell (PIC). En effet, les échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et d'espace mises en jeu dans cette physique étant extrêmement faibles, il n'existe pas à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en...) actuelle de diagnostics expérimentaux permettant de 'capturer' la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) fortement non-linéaire du plasma sous l'effet du champ laser. Pour comprendre cette dynamique complexe, une description cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) 'premiers principes' du plasma à l'aide de la méthode PIC est donc nécessaire. Cette méthode résout de manière couplée les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec l'expression de la force électromagnétique...) et le mouvement des particules du plasma. Malheureusement, les codes PIC standards actuels ne permettent pas de décrire avec précision ces nouveaux régimes PW d'interaction laser plasma car le solveur de Maxwell aux différences finies (Finite Difference Time Domain FDTD) utilisé pour propager les champs électromagnétiques en temps et en espace génère de nombreux artefacts numériques affectant les résultats de simulation [2,3]. Jusqu'à présent, l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) de ces artefacts nécessitait l'utilisation d'une très haute résolution, augmentant de ce fait considérablement le temps de calcul et empêchant une modélisation 3D (La modélisation 3D est l'étape en infographie 3D qui consiste à créer, dans un logiciel de modélisation 3D, un objet en trois...) réaliste.


Simulation "Particle In Cell" PIC 3D de l'interaction entre une impulsion laser 3 PW et une surface solide (miroir plasma).

(a) Schéma proposé ; (b) Intensité du champ réfléchi en fonction de la distance z au miroir plasma. Une intensité de 10^25 W/cm^2 peut être atteinte du fait de la qualité de la focalisation: (c) Profil d'intensité spatio-temporel I(x,t) du champ réfléchi dans le plan du miroir plasma – (e) au foyer du miroir plasma
(d) Profil d'intensité I(x,y) dans le plan du miroir plasma, (f) au foyer du miroir plasma.

Pour faire face à ce challenge, une collaboration entre le CEA- IRAMIS et le Lawrence Berkeley National Laboratory (Le Laboratoire national Lawrence Berkeley (Ernest Orlando Lawrence National Laboratory, anciennement Berkeley Radiation Laboratory et plus connu sous le nom de Berkeley Lab ou LBNL), est...) (LBNL) a développé une nouvelle génération de codes PIC utilisant des solveurs de Maxwell pseudo-spectraux infiniment précis et massivement parallèles (code PICSAR) [3-7]. Malgré leur précision, ces solveurs ont été progressivement abandonnés au profit des solveurs FDTD, du fait de leur faible scalabilité, jusqu'à 10 000 cœurs seulement. Une nouvelle technique de parallélisation [4,5] de ces solveurs a alors été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme...) jusqu'à 1 000 000 de cœurs, rendant possible pour la première fois leur utilisation à très grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le...) dans des simulations PIC 3D sur la machine MIRA (Mira peut désigner :) aux USA [3]. Nous avons notamment montré que ces solveurs convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) beaucoup plus rapidement à résolution identique vers la solution physique que les solveurs FDTD. Par exemple dans le cas de l'interaction laser-solide, notre étude démontre que notre code converge 500 fois plus rapidement que les codes standards, pour lesquels il est donc impossible de converger vers la solution même sur les plus gros calculateurs exascale à venir.

La précision apportée par notre code a récemment permis deux avancées majeures:

1- Une compréhension fine des mécanismes d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) laser par des plasmas denses à l'œuvre dans des expériences récentes réalisées sur le laser UHI100 au CEA Saclay [8]. Comprendre ces mécanismes d'absorption est crucial pour optimiser les propriétés des sources de particules et de 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 780nm (rouge). La lumière est intimement...) issues de l'interaction laser-matière.

2 - De proposer et valider numériquement un nouveau schéma physique qui permet d'atteindre des intensités inégalées (> 10^25 W.cm^-2) [9]. Son principe, détaillé Fig. 1 panel (Le panel est un groupe de personnes interrogées régulièrement sur leurs opinions ou leurs attitudes. Les personnes peuvent participer aux enquêtes par courrier, téléphone ou, de plus en plus souvent,...) (a), consiste à focaliser un laser 3PW sur une cible solide pour créer un miroir plasma relativiste. Sa validation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) avec PICSAR est présentée sur les panels (b-f). Lors de la réflexion du laser sur ce miroir plasma, les oscillations de sa surface compriment temporellement le champ incident (cf. (c)) à chaque cycle laser par effet Doppler. Cette modulation temporelle périodique augmente l'intensité du champ réfléchi d'un facteur 5 (cf. (b)) et est associée à un spectre d'harmoniques Doppler. Par ailleurs, la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de 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 désintégration (par...) du laser incident sur le miroir plasma courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les...) sa surface (cf. (a)). Cette courbure induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) en retour une forte focalisation des harmoniques Doppler (cf. (d)-(f)) responsable d'un accroissement d'un facteur 100 de l'intensité du champ réfléchi (cf. (a)). La combinaison (Une combinaison peut être :) de l'effet Doppler et de la focalisation par le miroir plasma produisent des intensités 10^25 W.cm^-2 au foyer du miroir plasma. La simulation 3D présentée Fig.1 a nécessité 0.8 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de cœurs pendant 24h. En produisant de telles intensités, ce schéma donnera à accès à de nouveaux régimes d'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien...) (QED) non-linéaire encore inconnus. Il devrait ainsi avoir un impact majeur sur la physique des champs forts.

Cette étude montre une nouvelle fois toute l'importance de la simulation de type PIC pour la maitrise des impulsions laser de ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un...) haute intensité, qui permet de révéler de nouveaux effets et de proposer ainsi de nouvelles expériences, pour explorer ces régimes d'intensités extrêmes qui deviennent aujourd'hui accessibles avec l'avènement de la dernière génération de lasers UHI.Contact CEA-IRAMIS: Henri Vincenti (IRAMIS/LIDYL/PHI)

Le développement du code PICSAR s'est fait en collaboration entre l'équipe PHI du LIDYL et le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), voir le site: https://www.picsar.net.

Référence:

1 - R. W. Hockney and J. W. Eastwod, New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte...): MacGraw-Hill, 1980 ; C. K. Birdsall and A. B. Langdon, New York: MacGraw-Hill, 1985.

2 - Pseudospectral Maxwell solvers for an accurate modeling of Doppler harmonic generation on plasma mirrors with particle-in-cell codes
G. Blaclard, H. Vincenti, R. Lehe, and J. L. Vay, Phys. Rev. E, 96 (2017) 033305 ;

3 - Ultrahigh-order Maxwell solver with extreme scalability for electromagnetic PIC simulations of plasmas H. Vincenti and J-L Vay, Comput. Phys. Comm., 228 (2018) 22 ;

4 - A domain decomposition method for pseudo-spectral electromagnetic simulations of plasmas J-L Vay, I. Haber and B.B. Godfrey, J. Comput. Phys., 243 (2013) 260

5 - Detailed analysis of the effects of stencil spatial variations with arbitrary high-order finite-difference Maxwell solver H. Vincenti and J-L Vay, Comput. Phys. Comm., 200 (2016)147 ;

6 - PIC codes on the road to exascale architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.), H. Vincenti, M. Lobet, R. Lehe, J.-L. Vay, J. Deslippe, Exascale scientific applications,
Chapman and Hall/CRC Computational Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large....) Series, chap 17, ISBN 9781138197541 (2017).

7 - An efficient and portable SIMD algorithm for charge/current deposition in Particle-In-Cell codes H. Vincenti, M.Lobet, R.Lehe, R.Sasank and J.-L.Vay, Comput. Phys. Comm., 210 (2017) 145.

8 - Identification of coupling mechanisms between ultraintense laser light and dense plasmasL. Chopineau, A. Leblanc, G. Blaclard, A. Denoeud, M. Thévenet, J-L. Vay, G. Bonnaud, Ph. Martin, H. Vincenti, F. Quéré, submitted to Phys. Rev. X, ArXiv:1809.03903 (2018)

9 - Achieving extreme light intensities using relativistic plasma mirrors H. Vincenti, submitted to Phys. Rev. Lett, ArXiv:1812.05357 (2018)

Voir les faits marquants antérieurs sur les miroirs plasmas "UHI-100":
- La dynamique cohérente des Miroirs Plasmas (2008)
- Les miroirs plasmas: de la physique des conditions extrêmes aux nouvelles sources de lumières (2006).

Collaboration:
H. Vincenti, IRAMIS/LIDYL/PHI,
J-L Vay, Head of the Accelerator Modelling group, ATAP division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre" est la réciproque de la fonction "multiplication par...), Lawrence Berkeley National Laboratory, CA, USA.
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