Le rayonnement synchrotron amélioré par des paquets d'électrons raccourcis produit une lumière puissante, semblable à celle d'un laser. Des expériences récentes soutiennent sa faisabilité pour la recherche sur les matériaux avancés. Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle technique raccourcit les paquets d’électrons dans les anneaux de stockage pour produire un rayonnement synchrotron plus puissant et cohérent, semblable aux lasers haute puissance. Cette méthode a été testée avec succès, marquant un progrès vers un nouveau type de source de rayonnement qui pourrait avoir des impacts significatifs sur la recherche sur les matériaux.
Une équipe internationale présente le principe de fonctionnement d'une nouvelle source de rayonnement synchrotron Nature Communications La physiqueLe microbunching en régime permanent (SSMB) permet de construire à l'avenir des sources de rayonnement UV cohérentes efficaces et puissantes. Cela est très intéressant pour les applications dans la recherche fondamentale ainsi que dans l'industrie des semi-conducteurs.
Rayonnement synchrotron et anneaux de stockage
Lorsque des électrons ultrarapides sont déviés, ils émettent un rayonnement synchrotron lumineux. Ce rayonnement est utilisé dans ce que l'on appelle des anneaux de stockage dans lesquels des aimants forcent les particules à suivre un chemin fermé. Cette lumière est incohérente longitudinalement et se compose d'un large spectre de longueurs d'onde. Sa grande brillance en fait un excellent outil pour la recherche sur les matériaux. Des monochromateurs peuvent être utilisés pour sélectionner des longueurs d'onde individuelles dans le spectre, mais cela réduit la puissance rayonnante de plusieurs ordres de grandeur à quelques watts seulement.
Un laser pulsé se propage avec le faisceau d'électrons à travers l'onduleur MLS U125 et impose une modulation d'énergie. Le même onduleur sert de radiateur lors des passages suivants du faisceau d'électrons. Le rayonnement de l'onduleur est détecté par une photodiode rapide, tandis que l'impulsion laser est bloquée du chemin de détection à l'aide d'un commutateur électro-optique. Crédit : HZB/ Physique des communications
Progrès dans la génération de lumière cohérente
Mais que se passerait-il si un anneau de stockage délivrait une lumière cohérente et monochromatique d’une puissance de plusieurs kilowatts, à la manière d’un laser de grande puissance ? Le physicien Alexander Chao et son doctorant Daniel Ratner ont trouvé une solution à ce problème en 2010 : si les paquets d’électrons en orbite dans un anneau de stockage deviennent plus courts que la longueur d’onde de la lumière qu’ils émettent, le rayonnement émis devient cohérent et donc des millions de fois plus puissant.
« Il faut savoir que les électrons dans un anneau de stockage ne sont pas répartis de manière homogène », explique Arnold Kruschinski, doctorant à l’HZB et auteur principal de l’article. « Ils se déplacent en paquets d’une longueur typique d’environ un centimètre et d’une distance d’environ 60 centimètres. C’est six ordres de grandeur de plus que les micro-paquets proposés par Alexander Chao. » Le théoricien chinois Xiujie Deng a défini un ensemble de paramètres pour un type spécifique d’accélérateur circulaire, les anneaux isochrones ou « à faible alpha », pour le projet Steady-State Micro-Bunching (SSMB). Après avoir interagi avec un laser, ceux-ci créent de courts paquets de particules qui ne mesurent qu’un micromètre de long.
Avancées dans les techniques de micro-groupage
L'équipe de recherche du HZB, de l'université Tsinghua et du PTB a déjà démontré que cela fonctionne dans une expérience de démonstration de principe en 2021. Ils ont utilisé la Metrology Light Source (MLS) d'Adlershof, le premier anneau de stockage jamais conçu pour un fonctionnement à faible alpha. L'équipe a maintenant pu vérifier pleinement la théorie de Deng sur la génération de micro-paquets dans des expériences approfondies. « Pour nous, il s'agit d'une étape importante sur la voie d'un nouveau type de source de rayonnement SSMB », déclare Arnold Kruschinski.
Jörg Feikes et le doctorant Arnold Kruschinski dans la salle de contrôle de BESSY II et du MLS. Crédit : Ina Helms / HZB
Perspectives d'avenir et objectifs à long terme
Mais le chef de projet du HZB, Jörg Feikes, est convaincu qu’il faudra du temps pour y parvenir. Il voit des parallèles entre le SSMB et le développement des lasers à électrons libres. « Après des expériences initiales et des décennies de travail de développement, cette idée a donné naissance à un accélérateur supraconducteur d’un kilomètre de long », explique-t-il. « Ce genre de développement est un travail de longue haleine. On commence par une idée, puis une théorie, puis des expérimentateurs qui la concrétisent petit à petit et je pense que le SSMB évoluera de la même manière. »
