Le miroir plasma est un dispositif optique résultant de l'interaction entre un laser intense et la matière, dont l'étude relève de la physique des champs forts. Il promet d'améliorer l'accélération laser-plasma, un candidat prometteur pour rendre plus compact les accélérateurs d'électrons actuels, avec des débouchés potentiels dans l'industrie et la médecine. Il permet aussi de repousser la frontière de nos connaissances en physique fondamentale, en particulier dans le domaine de l'électrodynamique quantique en champ fort. Ce domaine de recherche est très actif à l'échelle internationale, en Europe et aux États-Unis.
1. La physique des champs forts
La physique des champs forts ou physique des ultra-hautes intensités (fig. 1) est née avec l'avènement, dans les années 1990, des lasers à impulsions femtosecondes de puissance (1 femtoseconde = 10-15 s, soit un millionième de milliardième de seconde).
La démonstration expérimentale de ce type de laser date de 1985. Elle est l'œuvre de Donna Strickland et Gérard Mourou, corécipiendaires du prix Nobel de physique en 2018 pour cette découverte. La technique d'amplification par dérive de fréquence qu'ils ont inventée a ouvert la voie à des lasers dont la puissance-crête, concentrée dans une impulsion de quelques femtosecondes, peut atteindre aujourd'hui une dizaine de pétawatts (1016 W),un pétawatt équivalant à un million de milliards de watts. Ces lasers délivrent des intensités lumineuses extraordinaires. Le record actuel de 1023 W/cm2 est détenu par le laser 4PW Corels, installé en Corée du Sud. Quand un laser d'une telle intensité est focalisé sur la matière, des conditions extrêmes surviennent. À chaque instant, 10 millions de photons se concentrent dans le volume de chaque atome, ce qui correspond à des champs électriques de l'ordre de plusieurs centaines de téravolts par mètre (TV/m). Ces champs électriques accélèrent les électrons à des vitesses proches de la vitesse de la lumière - des vitesses relativistes - en une dizaine d'attosecondes (1 attoseconde = 10-18 s, soit un milliardième de milliardième de seconde). La matière est ionisée quasi instantanément et prend la forme d'un plasma, une collection d'ions et d'électrons.
Florent Robert Des enjeux en physique fondamentale et pour l'industrie
L'étude de l'interaction lumière-plasma à des intensités extrêmes présente un double intérêt : fondamental et appliqué. Côté fondamental, cette interaction donne accès à des régimes d'électrodynamique encore inexplorés et extrêmement importants pour progresser dans les connaissances. À des intensités supérieures à 1018 W/cm2 , la dynamique du plasma est très non linéaire et ultrarelativiste. Sa description, complexe, nécessite le recours à des méthodes de simulation très demandeuses en temps de calcul, comme la méthode Particle-in-cell (PIC). À des intensités supérieures à 1023 W/cm2, le travail du champ laser sur une longueur d'onde de Compton électronique devient proche de l'énergie de masse des électrons. Cela donne lieu à des effets quantiques importants dans la dynamique électronique tels que l'émission de photons à haute énergie, supérieure au mégaélectronvolt (MeV), par des électrons accélérés: c'est le début du régime d'électrodynamique quantique en champ fort, une des frontières actuelles de l'électrodynamique quantique. Les processus d'électrodynamique quantique en champ fort peuvent jouer un rôle important dans les mécanismes de certains phénomènes astrophysiques violents encore incompris. C'est le cas, par exemple, des sursauts radio rapides (fast radio bursts) découverts en 2020, qui sont émis par des objets astrophysiques nommés magnétars.
CE QU'IL FAUT RETENIR
Le miroir plasma pourrait résoudre deux défis des lasers de puissance. D'une part, il pourrait remédier à la faible charge transportée par l'accélération laser-plasma. Avec à la clé, des systèmes de muographie beaucoup plus compacts. D'autre part, la puissance des lasers actuels pourrait augmenter d'un facteur 1 000, offrant aux physiciens la possibilité de sonder des régimes d'électrodynamique quantique en champ fort encore inconnus.
Côté applications, les champs électriques extrêmes associés à la physique des champs forts, qu'ils soient issus directement du champ laser ou de l'interaction avec le plasma, donnent la possibilité d'accélérer des particules chargées, électrons ou ions, à des vitesses relativistes sur de courtes distances. Par exemple, lorsqu'un laser de puissance est focalisé sur une cible gazeuse, il génère des structures plasmas accélératrices, appelées bulles plasmas, pouvant soutenir des champs électriques de l'ordre de 100 gigavolts par mètre (GV/m) (fig.2) qui vont accélérer les particules chargées. Grâce à ces accélérateurs laser-plasma, des électrons ont été accélérés à des vitesses relativistes sur des distances allant de quelques millimètres à quelques centimètres. Le record actuel est détenu par l'université de Berkeley, avec une énergie de 10 gigaélectronvolts (GeV) sur une distance de 10 cm.
Même si de nombreux défis restent à résoudre, concernant la stabilité et la qualité du faisceau de particules accélérées notamment, ceci offre la possibilité de construire des accélérateurs beaucoup plus compacts que les accélérateurs conventionnels utilisant des cavités radiofréquences, dont les gradients d'accélération s'élèvent à 100 mégavolts par mètre (MV/m) au maximum, ce qui correspond au champ de claquage de la cavité. L'accélération laser-plasma ne serait pas compétitive face aux accélérateurs à radiofréquence de 10 MeV, qui sont déjà stables et relativement petits. Ceux-ci sont employés en radiothérapie pour traiter des tumeurs cancéreuses superficielles ou pour stériliser des produits et matériels médicaux. En revanche, l'accélération laser-plasma aurait un rôle à jouer pour miniaturiser de quelques centaines de MeV au GeV les accélérateurs, mesurant aujourd'hui de 10 mètres à un kilomètre de longueur: elle permettrait de démocratiser leur usage en réduisant leur taille et donc leur coût. On envisage déjà d'utiliser ce genre d'accélérateurs miniatures pour effectuer des radiothérapies exploitant des électrons à haute énergie, éliminant les tumeurs en profondeur. Il y a par exemple un projet en cours à l'Institut Curie.
Florent Robert Autre scénario possible, tout aussi exploratoire : les futurs collisionneurs de leptons, utilisés pour les recherches en physique des particules, pourraient incorporer des «briques » accélératrices exploitant l'accélération laser-plasma. Une troisième possibilité, expérimentée par le centre de recherche Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron) à Hambourg, serait de remplacer un accélérateur linéaire (linac) conventionnel par un accélérateur laser-plasma, plus court et moins énergivore. Le système actuel requiert en effet des dispositifs cryogéniques, échelonnés sur de grandes distances, pour atteindre des énergies de l'ordre du GeV. Ce qui induit une consommation énergétique de plusieurs mégawatts, plombant le rendement de l'accélérateur. L'accélération laser-plasma pourrait diviser cette consommation par 10. Par ailleurs, l'interaction laser-plasma engendre des sources de lumière ultra-brèves. Cet effet est dû à la non-linéarité de l'interaction, qui implique une déformation périodique du champ laser. À cette déformation est associé un spectre d'harmoniques large dans le domaine de fréquence, ce qui signifie des durées ultra-brèves, de l'ordre de l'attoseconde, et des longueurs d'onde très courtes.
Les défis de l'augmentation de la charge et de l'intensité
Des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension de l'interaction laser-matière à haute intensité et dans son contrôle pour la production de sources secondaires. Cependant, deux défis majeurs se posent aujourd'hui. Le premier est d'exploiter le savoir-faire actuel et la compréhension développée sur les lasers de puissance actuels, de la centaine de térawatts (un térawatt équivalent à un millier de milliards de watts) au pétawatt, pour exploiter les sources secondaires dans des applications prometteuses, allant de la médecine à l'industrie. Cela passe par l'augmentation de la cadence de tir, la stabilisation des propriétés des sources de lumière et la qualité des sources. Un enjeu des accélérateurs laser-plasma est notamment l'augmentation de la charge -la quantité d'électrons - produite à une énergie supérieure au GeV, tout en conservant la qualité du faisceau (émittance, dispersion en énergie). Cette charge reste limitée à quelques picocoulombs (pC) par tir dans les expériences à quelques GeV. Ce qui représente un obstacle pour certaines expériences de physique fondamentale ou la production de muons à finalité industrielle. Ces particules, identiques aux électrons si ce n'est leur masse 207 fois plus grande, sont intéressantes pour radiographier les matières denses, dites à haut Z (Z étant le numéro atomique). Elles pourraient être utilisées pour l'inventaire de déchets nucléaires, pour le contrôle non destructif de réacteurs nucléaires, dans le génie civil, ou encore en archéologie pour sonder l'intérieur des pyramides. Certaines de ces applications exploitent aujourd'hui des muons d'origine cosmique. Car, si l'on peut produire des muons à partir d'électrons accélérés à 4 GeV dans un grand accélérateur, il n'est pas imaginable de pouvoir déplacer sur un site industriel une infrastructure longue de plusieurs centaines de mètres. D'où l'intérêt d'un accélérateur laser-plasma, qui tiendrait dans un camion semi-remorque. Mais une forte charge est requise : plus la quantité d'électrons est grande, plus on obtient de muons.
Le second défi, plus fondamental, est de trouver un moyen d'augmenter l'intensité des lasers de puissance, bien au-delà du record de 1023 W/cm2, pour explorer le régime d'électrodynamique quantique en champ fort. L'augmentation de la puissance des lasers actuels devient en effet très difficile, coûteuse, et se heurte à des limites technologiques. Quelques lasers de classe 100 PW sont à l'étude mais ils ne produiront toujours pas l'intensité requise. Il faut un nouveau paradigme.
2. Le miroir plasma, une solution à ces deux défis
Bien que les deux défis évoqués ci-dessus soient en apparence indépendants, ils ont une solution potentielle commune qui repose sur un composant optique remarquable : le miroir plasma (fig.3).
Un miroir plasma peut être obtenu en focalisant un laser femtoseconde de puissance à haut contraste sur une cible initialement solide. Au foyer, le champ électrique laser est si intense qu'il ionise quasi instantanément la cible sous la forme d'un plasma suffisamment dense pour que l'onde électromagnétique incidente soit réfléchie, au lieu de s'y propager comme elle le fait dans un gaz.
En raison du haut contraste et de la faible durée de l'impulsion laser, l'interface entre le vide et le plasma (gradient plasma) se détend très peu pendant l'interaction, sur une échelle spatiale appelée longueur de gradient qui est très faible devant la longueur d'onde incidente. De ce fait, le plasma dense agit comme un miroir de qualité optique qui réfléchit le champ incident de manière spéculaire. Mais ce n'est pas tout : lors de la réflexion du laser sur le miroir plasma et à des intensités laser supérieure à 1018 W/cm2, le champ laser fait osciller la surface du miroir à la période du laser et à des vitesses relativistes (fig.3). Cette oscillation entraîne une compression temporelle périodique du champ réfléchi, responsable d'une première intensification de celui-ci. Cette compression temporelle périodique est associée dans le domaine spectral à des harmoniques Doppler d'ordre élevé du laser.
Florent Robert Couplée à cette compression temporelle, la pression de radiation du laser sur le miroir plasma courbe sa surface (fig.3). Une telle courbure peut focaliser fortement le champ réfléchi et le comprimer spatialement. La longueur d'onde située dans l'infrarouge, pour le champ incident, se raccourcit jusqu'au domaine de l'extrême ultraviolet, pour le champ réfléchi. À l'aide du laser UHI100 à 20 TW du CEA-Lidyl (Laboratoire interactions, dynamiques et lasers), il a déjà été montré expérimentalement que l'effet combiné de la compression temporelle et spatiale causée par un miroir plasma permet d'intensifier le champ réfléchi par un facteur 10. Nos simulations numériques montrent que l'effet est 1 000 fois plus élevé en partant d'un laser de classe pétawatt. C'est donc une voie prometteuse pour intensifier les lasers de plusieurs ordres de grandeur. En outre, d'après nos expériences, la réflexion du laser permet d'éjecter beaucoup de charges de la surface du miroir plasma en direction du champ réfléchi, de manière synchronisée avec l'émission harmonique. Ainsi, un miroir plasma peut aussi servir d'injecteur à haute charge dans les accélérateurs laser-plasma.
3. Un nouveau concept d'injecteur à haute charge pour les accélérateurs laser-plasma
Afin d'accroître l'énergie des paquets d'électrons accélérés par les accélérateurs laser-plama, les lois d'échelle indiquent qu'il faut baisser la densité du gaz environnant. Mais cela a pour conséquence d'augmenter la vitesse de phase de la structure accélératrice, la bulle-plasma (fig.2), ce qui rend plus difficile l'injection de charge. On peut faire l'analogie avec un surfeur (le paquet d'électrons) : pour surfer sur la vague (la bulle-plasma), il doit être en phase avec la vague, c'est-à-dire que sa vitesse initiale corresponde à la vitesse de phase de la vague. Mais plus cette vitesse augmente, plus il est difficile pour le surfeur de rattraper la vague. De ce fait, les techniques classiques reposant sur l'injection de charge depuis le gaz lui-même ont pour l'instant difficilement réussi à injecter de la charge dans les expériences à haute énergie, au-delà du GeV. Une autre solution est d'utiliser un miroir plasma comme injecteur à haute charge dans un accélérateur laser-plasma.
D'un point de vue pratique, ceci peut être réalisé en focalisant le laser sur une cible hybride solide-gaz (fig.4).
Lors de la réflexion du laser sur le miroir plasma, des électrons sont éjectés de sa surface dans le sillage du champ réfléchi. Ces électrons sont injectés à la bonne phase dans la structure accélératrice de l'accélérateur laser-plasma formé lors de la propagation du champ réfléchi dans la partie gazeuse de la cible. Ce concept, breveté par le CEA-Lidyl et le Laboratoire d'optique appliqué (LOA), une unité mixte de recherche du CNRS, a d'abord été validé numériquement à l'aide de simulations plasmas «premiers principes ». Ce qui signifie qu'on cherche à résoudre toutes les équations fondamentales décrivant le mouvement des particules, l'évolution des champs… Ces simulations incluaient le code WarpX, que le CEA-Lidyl développe depuis maintenant dix ans avec le laboratoire national Lawrence Berkeley, aux États-Unis. Le code WarpX ayant été optimisé pour des supercalculateurs exaflopiques, ces simulations ont été couronnées par le prix Gordon Bell 2022, le prix le plus prestigieux en calcul haute performance à l'échelle internationale.
Florent Robert Ainsi a-t-on pu identifier les conditions optimales (polarisation du laser…) pour la mise en œuvre de ce concept. Dans la foulée de ces premières simulations, le concept a été démontré expérimentalement au LOA en régime 20 TW, en 2023. Un an plus tard, une deuxième démonstration expérimentale a eu lieu en régime pétawatt avec l'appui du laser Apollon, opéré parle Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Luli). Cette expérience a permis d'obtenir des faisceaux de 560 pC au-delà du GeV, moyennant 10 % de dispersion en énergie. Une première dans le domaine (fig. 4).
4. Un composant optique qui booste l'intensité
Une seconde possibilité est de produire une nouvelle génération de lasers dans l'extrême ultraviolet, la plus intense sur Terre, afin d'explorer de nouveaux régimes de physique fondamentale. L'intensité atteignable au foyer d'un miroir plasma courbé est illustrée fig. 5, en fonction de la puissance du laser incident sur le miroir
La courbe verte représente l'intensité au foyer laser sans intensification ou boost par miroir plasma. La courbe bleue représente l'intensité atteignable au foyer d'un miroir plasma courbé par pression de radiation. La courbe rouge montre l'intensité maximale atteignable lorsque la radiation dans l'extrême ultraviolet est focalisée à proximité de sa limite de diffraction. Ces résultats montrent que le miroir plasma constitue un composant optique prometteur pour intensifier les lasers existants de plusieurs ordres de grandeur.
L'application première d'un tel boost en intensité est de sonder l'électrodynamique quantique (QED) dans des régimes inexplorés d'un point de vue expérimental, dont le régime champ fort. Ce régime survient lorsque le travail du champ laser pour un électron sur sa longueur d'onde de Compton devient supérieur à son énergie de masse. Cette limite est atteinte lorsque le champ E vu par les particules chargées dans leur référentiel propre est supérieur au champ de Schwinger (Es =1018 V/m),soit le champ au-delà duquel le vide lui-même subit un claquage optique. Quand le rapport E/Es, désigné par le paramètre χ, est très inférieur à 1, l'électrodynamique est décrite de manière classique. Quand il est supérieur à 1, une description quantique devient nécessaire. C'est le domaine de la QED en champ fort, inconnu des expérimentateurs. À l'heure actuelle, les expériences prévues avec les lasers les plus intenses visent un paramètre χ de l'ordre de 0,5 en collisionnant un faisceau d'électrons relativistes (produit par un accélérateur conventionnel ou un accélérateur laser-plasma) avec un laser de puissance. Une configuration qui maximise le paramètre χ pour les électrons.
Florent Robert Mais ce n'est pas suffisant pour sonder le régime des champs forts. En boostant l'intensité laser à l'aide d'un miroir plasma, la fig.5 établit qu'il est possible d'atteindre des χ très supérieurs à 1 - et potentiellement jusqu'à 1000 -grâce à la collision d'un faisceau laser boosté par miroir plasma avec un faisceau d'électron de 5 G eV, accéléré par un accélérateur laser-plasma. Si le paramètre χ s'approche de 1 000, il est prédit que les approches théoriques actuelles utilisées en QED ne sont plus valides : c'est le régime totalement non perturbatif de la QED pour lequel il faut développer de nouvelles approches théoriques. C'est une frontière actuelle de la physique moderne. Tester la théorie QED dans ces régimes pourrait révéler des surprises au-delà du modèle standard. Par exemple, la présence d'axions (des particules hypothétiques neutres et de très faible masse) ou de particules millichargées (leur charge électrique est une fraction de celle de l'électron), dans la frontière basse énergie en physique des particules.
5. Perspectives
Les prochaines étapes consisteront d'abord à valider le concept d'injecteur miroir plasma jusqu'à 10 PW sur des installations laser européennes, où on attend plusieurs nC par paquet jusqu'à 5 GeV. Ces faisceaux seront importants pour tester la production de muons en envoyant le faisceau d'électrons à 5 G eV dans une cible à haut Z. Une première étape avant des expériences de muographie active. Ces faisceaux seront aussi utiles dans la quête de l'étude de la QED en champ fort où ils seront collisionnés avec des faisceaux boostés par miroir plasma pour sonder des χ très élevés. D'autre part, il s'agira de démontrer le concept d'intensification par miroir plasma sur les installations multi-PW française (Apollon) et européenne (ELI, Extreme light infrastructure) afin d'atteindre des intensités supérieures à 1026 W/cm2, trois ordres de grandeur au-dessus du record actuel. Ce concept sera ensuite utilisé dans des expériences pour sonder la QED en champ fort dans des régimes inexplorés, à ELI-NP (Extreme light infrastructure for nuclear physics), en Roumanie, et aussi au Desy en Allemagne.
