L'installation laser de Zeus de l'Université du Michigan a approximativement doublé la puissance de pointe de tout autre laser aux États-Unis avec sa première expérience officielle à 2 Petawatts (2 quadrillion watts).
À plus de 100 fois la puissance mondiale de la puissance d'électricité, cette énorme puissance ne dure que pour la brève durée de son impulsion laser – 25 quinti-milliards d'une seconde.
« Cette étape marque le début des expériences qui se déplacent vers un territoire inexploré pour les sciences américaines de haut niveau », a déclaré Karl Krushelnick, directrice du Gérard Mourou Center for Ultrafast Optical Science, qui abrite Zeus.
La recherche chez Zeus aura des applications en médecine, en sécurité nationale, en science des matériaux et en astrophysique, en plus de la science du plasma et de la physique quantique. Zeus est une installation d'utilisateurs – ce qui signifie que les équipes de recherche de tout le pays et à l'étranger peuvent soumettre des propositions d'expérience qui passent par un processus de sélection indépendant.
« L'une des grandes choses à propos de Zeus est que ce n'est pas seulement un grand marteau laser, mais vous pouvez diviser la lumière en plusieurs poutres », a déclaré Franklin Dollar, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Californie à Irvine, dont l'équipe dirige la première expérience utilisateur à 2 Petawatts.
« Avoir une ressource nationale comme celle-ci, qui accorde du temps aux utilisateurs dont les concepts expérimentaux sont les plus prometteurs pour faire avancer les priorités scientifiques, rame vraiment la science laser à haute intensité aux États-Unis »
L'équipe de Dollar et l'équipe Zeus visent à produire des faisceaux d'électrons avec des énergies équivalentes à celles réalisées dans des accélérateurs de particules qui ont des centaines de mètres de longueur. Ce serait une énergie de 5 à 10 fois plus élevée que tous les faisceaux d'électrons précédemment produits à l'installation de Zeus.
« Nous visons à atteindre des énergies d'électrons plus élevées en utilisant deux faisceaux laser distincts, l'un pour former un canal directeur et l'autre pour accélérer les électrons à travers elle », a déclaré Anatoly Maksimchuk, chercheur UM en génie électrique et informatique, qui dirige le développement des zones expérimentales.
Ils espèrent le faire en partie avec une cible redessinée. Ils ont allongé la cellule qui maintient le gaz dans lequel l'impulsion laser se répercute dans l'hélium dans cette expérience. Cette interaction produit du plasma, arrachant les électrons des atomes afin que le gaz devienne une soupe d'électrons libres et d'ions chargés positivement. Ces électrons sont accélérés derrière les Wakesurfers en forme de pouls laser se fermer derrière un bateau à vitesse – un phénomène appelé Wakefield Accélération.
La lumière se déplace plus lentement dans le plasma, permettant aux électrons de le rattraper. Dans une cible moins dense et plus longue, les électrons passent plus de temps à accélérer avant de rattraper l'impulsion laser, leur permettant de toucher des vitesses de pointe plus élevées.
Cette démonstration de la puissance de Zeus ouvre la voie à l'expérience de signature, attendue plus tard cette année, lorsque les électrons accélérés entrent en collision avec des impulsions laser à l'inverse. Dans le cadre en mouvement des électrons, l'impulsion laser à 3 petawatt semblera être un million de fois plus puissant – une impulsion à l'échelle de Zettawatt. Cela donne à Zeus son nom complet de « Système d'impulsion laser ultrasque équivalent Zettawatt. »
« La recherche fondamentale effectuée dans l'installation de NSF Zeus a de nombreuses applications possibles, notamment de meilleures méthodes d'imagerie pour les tissus mous et fait progresser la technologie utilisée pour traiter le cancer et d'autres maladies », a déclaré Vyacheslav Lukin, directeur de programme dans la division de physique NSF, qui supervise le projet Zeus.
« Les scientifiques utilisant les capacités uniques de Zeus élargiront les frontières des connaissances humaines de nouvelles façons et offriront de nouvelles opportunités à l'innovation américaine et à la croissance économique. »
L'installation de Zeus s'intègre dans un espace de taille similaire à un gymnase scolaire. Dans un coin de la pièce, un laser produit l'impulsion infrarouge initiale. Les dispositifs optiques appelés réseaux de diffraction l'étirent dans le temps afin que lorsque les lasers de pompe jettent la puissance dans l'impulsion, il ne devient pas si intense qu'il commence à déchirer l'air. À son plus grand, le pouls est de 12 pouces de diamètre et de quelques pieds de long.
Après quatre cycles de lasers de pompe ajoutant de l'énergie, l'impulsion entre dans les chambres à vide. Un autre ensemble de réseaux le s'aplatit sur un disque de 12 pouces qui n'a que 8 microns d'épaisseur – environ 10 fois plus mince qu'un morceau de papier d'imprimante. Même à 12 pouces de diamètre, son intensité pourrait transformer l'air en plasma, mais elle est ensuite concentrée à 0,8 microns de large pour fournir une intensité maximale aux expériences.
« En tant qu'installation de taille moyenne, nous pouvons fonctionner plus agile que les installations à grande échelle comme les accélérateurs de particules ou la facilité nationale d'allumage », a déclaré John Nees, chercheur UM en génie électrique et informatique, qui dirige la construction du laser Zeus. « Cette ouverture attire de nouvelles idées d'une communauté plus large de scientifiques. »
La route vers 2 Petawatts a été lente et prudente. Le simple fait d'obtenir les pièces dont ils ont besoin pour assembler le système ont été plus difficiles que prévu. Le plus grand défi est un cristal saphir, infusé d'atomes de titane. Près de 7 pouces de diamètre, c'est la composante critique de l'amplificateur final du système, qui porte la plus puissance laser à pleine puissance.
« Le cristal que nous allons obtenir en été nous amènera à 3 Petawatts, et il a fallu quatre ans et demi pour la fabrication », a déclaré Franko Bayer, chef de projet pour Zeus. « La taille du cristal de saphir en titane que nous avons, il n'y en a que quelques-uns dans le monde. »
En attendant, le saut de la puissance 300 Terawatt du précédent laser Hercules à seulement 1 Petawatt sur Zeus a entraîné un assombrissement des réseaux. Premièrement, ils ont dû déterminer la cause: ont-ils été endommagés en permanence ou simplement assombris par des dépôts de carbone de la puissante faisceau déchirant des molécules flottant dans la chambre à vide imparfaite?
Quand il s'est avéré être des dépôts de carbone, Nees et l'équipe laser ont dû comprendre combien de coups laser pouvaient fonctionner en toute sécurité entre les nettoyages. Si les réseaux devenaient trop sombres, ils pourraient déformer les impulsions laser d'une manière qui endommage l'optique le long du chemin.
Enfin, l'équipe Zeus a déjà passé un total de 15 mois à diriger des expériences d'utilisateurs depuis la grande ouverture en octobre 2023 car il y a encore beaucoup de science qui pourrait être fait avec un laser 1 Petawatt.
Jusqu'à présent, il a accueilli 11 expériences distinctes avec un total de 58 expérimentateurs de 22 institutions, y compris des chercheurs internationaux. Au cours de la prochaine année – entre les expériences utilisateur – l'équipe Zeus continuera de mettre à niveau le système vers sa pleine puissance.
