Un laser ultra-lumineux montre un nouveau comportement sur la lumière
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Les scientifiques ont créé un laser d’une luminosité équivalente à 1 milliard de fois à celle de la surface du soleil et ils ont découvert un comportement différent de la lumière.
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En focalisant la lumière laser à une luminosité d’un milliard de fois supérieure à la surface du soleil, les physiciens ont observé des changements dans une interaction qui permet la vision entre la lumière et la matière. Ces changements ont donné des impulsions de rayons X uniques avec le potentiel de générer des images de très haute résolution utiles à des fins médicales, techniques, scientifiques et de sécurité. Les résultats de l’équipe, détaillés dans la revue Nature Photonics, permettront également d’améliorer les prochaines expériences impliquant des lasers à haute intensité.
Donald Umstadter et ses collègues du Laboratory Extreme Light ont lancé leur laser Diocles sur des électrons suspendus à l’hélium pour mesurer la façon dont les photons du laser, considérés à la fois comme des particules et des ondes de lumière, sont dispersés après avoir frappé un seul électron.
Dans des conditions typiques, comme lorsque la lumière d’une ampoule ou celle du soleil frappe une surface, ce phénomène de diffusion crée la vision. Mais un électron disperse un seul photon à la fois. Et en moyenne, un électron le fait rarement à tous les coups selon Umstadter.
Même si les expériences précédentes à base de laser ont pu disperser quelques photons du même électron, l’équipe de Umstadter a réussi à disperser près de 1 000 photons à la fois. Aux intensités ultra-élevées produites par le laser, les photons et les électrons se comportaient différemment. Quand nous obtenons cette lumière incroyablement brillante, il s’avère que la diffusion change fondamentalement de nature selon Umstadter qui est professeur de physique et d’astronomie.
Un photon provenant d’une lumière standard se dispersera avec le même angle et l’énergie avant de frapper l’électron indépendamment de la luminosité. Cependant, l’équipe d’Umstadter a constaté qu’au-dessus d’un certain seuil, la luminosité du laser modifiait l’angle, la forme et la longueur d’onde de cette lumière.
Donc, c’est comme si les choses étaient différentes quand vous augmentez la luminosité selon Umstadter. Un objet devient normalement plus brillant, mais son apparence ne change pas. Mais dans notre expérience, la lumière change l’objet. La lumière se déclenche à différents angles, avec différentes couleurs en fonction de sa luminosité.
Ce phénomène découle en partie d’un changement dans l’électron, qui a délaissé son mouvement habituel de haut en bas en faveur d’un modèle de vol en forme d’un 8. Comme dans des conditions normales, l’électron a également éjecté son propre photon, qui a été percuté par l’énergie des photons entrants. Mais les chercheurs ont constaté que le photon éjecté a absorbé l’énergie collective de tous les photons dispersés en lui accordant l’énergie et la longueur d’onde d’un rayon X ou radiographie.
Un rendu sur comment des changements dans le mouvement d’un électron (vue du bas) change la dispersion de la lumière (vue de haut). Cette expérience a dispersé plus de 500 photons à partir d’un seul électron – Crédit : Extreme Light Laboratory|University of Nebraska-Lincoln
On pourrait utiliser les propriétés uniques de ce rayonnement X dans de nombreux domaines selon Umstadter. Sa gamme d’énergie extrême, mais étroite tout en étant combinée à une durée extraordinairement courte, pourrait aider à générer des images tridimensionnelles sur l’échelle nanoscopique tout en réduisant la l’énergie nécessaire pour les produire.
Ces propriétés seraient utiles pour détecter des tumeurs ou des microfractures qui échappent aux rayons X conventionnels, cartographier les aspects moléculaires des matériaux nanoscopiques dans les semi-conducteurs ou détecter des menaces de plus en plus sophistiquées aux points de contrôle de sécurité. Les physiciens atomiques et moléculaires pourraient également utiliser ce type de radiographie comme une caméra ultra-rapide pour capturer des instantanés du mouvement des électrons ou des réactions chimiques.
En tant que physiciens, Umstadter et ses collègues ont également exprimé leur enthousiasme pour les implications scientifiques de leur expérience. En établissant une relation entre la luminosité du laser et les propriétés de sa lumière diffusée, l’équipe a confirmé une méthode récemment proposée pour mesurer l’intensité maximale d’un laser. L’étude a également démontré plusieurs hypothèses de longue date qui ont été bloquées par les limitations technologiques.
Il y a eu de nombreuses hypothèses qui n’ont jamais été testées en laboratoire parce que nous n’avons jamais eu une source lumineuse suffisante pour les tester selon M. Umstter. Il y avait de nombreuses prédictions sur ce qui se passerait et nous avons confirmé certaines de ces prédictions. Ces expériences font partie du domaine de l’électrodynamique.
Source : Nature Photonics (http://dx.doi.org/10.1038/NPHOTON.2017.100)
