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Des physiciens ont produit la lumière la plus brillante jamais vue sur Terre

Le laser Dioclès brille aussi fort qu’un milliard de soleils, et ouvre la voie à la nouvelle génération de technologies à rayons X.

par Daniel Oberhaus
26 Juin 2017, 9:19am

Des physiciens de l'Extreme Light Laboratory, à l'Université du Nebraska, ont annoncé lundi qu'ils avaient généré la lumière la plus brillante jamais produite par des technologies humaines. Pour cela, ils ont utilisé Dioclès, un laser américain extrêmement puissant.

En bombardant des électrons individuels à l'aide du laser, les chercheurs ont découvert que passé un certain seuil, l'intensité de la lumière changeait radicalement l'apparence de l'objet observé au lieu de le rendre simplement plus brillant.

"Sous l'influence de cette lumière infiniment brillante, la diffusion des photons - ces particules élémentaires qui rendent la matière visible - changeait fondamentalement de nature", a déclaré Donald Umstadter, physicien à l'Université du Nebraska-Lincoln, dans un communiqué.

Afin de mieux apprécier la prouesse accomplie par Umstadter et ses collègues, rappelons le mécanisme de diffusion de la lumière. Lorsque des photons provenant d'une source lumineuse (comme le soleil ou une ampoule) frappent un objet, ils interagissent avec les nuages d'électrons qui entourent le noyau des atomes qui forment cet objet. Plus précisément, lorsque les photons frappent ces particules chargées négativement, ils sont dispersés avec le même angle et la même énergie que le photon possédait avant d'interagir avec l'électron. C'est grâce à cet effet de diffusion - produit par les interactions photon-électron - que nous pouvons voir les objets qui nous entourent.

Dans la nature, un électron seul interagit rarement avec un autre électron - une fois tous les quatre mois environ - selon Umstadter. De plus, l'intensité lumineuse de la source n'affecte pas la façon dont les photons interagissent avec les électrons : les photons conserveront leur énergie et leur angle après la collision.

Mais comme l'ont découvert Umstadter et ses collègues, ces principes ne sont vrais que jusqu'à un certain seuil d'intensité lumineuse. Au-delà de ce seuil, les sources lumineuses à très haute intensité provoqueront une modification de l'angle et de la longueur d'onde du photon après son interaction avec l'électron. Ceci à une conséquence étonnante : l'objet observé apparaitra différent.

Lors de cette expérience, les chercheurs ont suspendu des électrons dans de l'helium avant de les bombarder avec le laser Dioclès. Dans la nature, un photon n'interagira qu'avec un seul électron à la fois. Mais lors des manipulations effectuées à l'Université du Nebraska, les chercheurs ont bombardé un unique électron à l'aide de 1000 photos par impulsion laser, qui duraient chacune 30 milliardièmes de millionième de seconde.

Quand cette impulsion laser à haute intensité - un milliard de fois plus brillante que la surface du Soleil - frappe l'électron, elle modifie le comportement de celui-ci. Plutôt que de maintenir son mouvement habituel allant du haut vers le bas, l'électron commence à se déplacer en huit. Ce mouvement à un effet direct sur la diffusion des photons, et l'aspect de l'objet observé change immédiatement.

Dans la nature, lorsque les photons frappent les électrons, ces derniers émettent leur propre photon à la suite de l'interaction. Mais lorsque les chercheurs ont bombardé un électron unique avec le laser Dioclès, ils ont observé que le photon éjecté avait absorbé l'énergie collective du reste des photons dispersés par le laser. Il possédait désormais l'énergie et la longueur d'onde typiques des rayons X, qui ont une plus petite longueur d'onde que la lumière visible et davantage d'énergie.

Les rayons X produits de cette façon possèdent une énergie extrêmement élevée, et selon Umstadter et ses collègues, ce phénomène pourrait être exploité de différentes façons. Tout d'abord, il pourrait permettre aux radiologues de produire des images médicales à rayons X à l'échelle nanométrique, favorisant la détection de tumeurs et autres anomalies que les radiographies standard auraient pu manquer.

Cela pourrait également permettre d'améliorer les technologies de détection aux rayons X utilisées dans les aéroports et autres zones sensibles.

Pour le moment, cette méthode de production des rayons X reste très expérimentale, ce qui n'empêche pas Umstadter et ses collègues d'être très enthousiastes : leurs résultats permettront d'avancer les connaissances en électrodynamique et en physique optique.

"De nombreuses nombreuses théories ont coexisté pendant des années, sans que l'on puisse jamais les tester en laboratoire parce que nous n'avions pas de source lumineuse assez puissante à disposition", explique Umstadter. "Il existait différentes hypothèses sur ce qui allait arriver, et nous avons pu en confirmer certaines. C'est formidable."

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