Un laser à ultra-haute intensité déclenche un nouveau comportement de la lumière

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En concentrant la lumière laser à une intensité un milliard de fois supérieure à celle de la surface du Soleil, une équipe de physiciens des États-Unis et de Chine a observé des changements dans une interaction entre la lumière et la matière permettant la vision. Ces changements ont donné lieu à des impulsions de rayons X uniques susceptibles de générer une imagerie à très haute résolution utile à des fins médicales, techniques, scientifiques et sécuritaires.

Un rendu de la façon dont les changements dans le mouvement d'un électron (vue du bas) modifient la diffusion de la lumière (vue du haut), comme mesuré dans une nouvelle expérience qui a diffusé plus de 500 photons de lumière à partir d'un seul électron. Crédit image : Extreme Light Laboratory, Université de Nebraska-Lincoln.

Un rendu de la façon dont les changements dans le mouvement d’un électron (vue du bas) modifient la diffusion de la lumière (vue du haut), comme mesuré dans une nouvelle expérience qui a diffusé plus de 500 photons de lumière à partir d’un seul électron. Crédit image : Extreme Light Laboratory, Université de Nebraska-Lincoln.

L’équipe, dirigée par le professeur Donald Umstadter, directeur de l’Extreme Light Laboratory de l’Université de Nebraska-Lincoln, a tiré un système laser à ultra-haute intensité, DIOCLES, sur des électrons en suspension dans l’hélium afin de mesurer la façon dont les photons du laser se dispersent sur un seul électron après l’avoir frappé.

“Dans des conditions normales, comme lorsque la lumière d’une ampoule ou du soleil frappe une surface, ce phénomène de diffusion rend la vision possible”, a déclaré le professeur Umstadter.

“Mais un électron – la particule chargée négativement présente dans les atomes formant la matière – ne diffuse normalement qu’un seul photon de lumière à la fois. Et l’électron moyen jouit même rarement de ce privilège, n’étant frappé qu’une fois tous les quatre mois environ.”

Bien que les expériences précédentes basées sur le laser aient diffusé quelques photons d’un même électron, le professeur Umstadter et ses coauteurs ont réussi à diffuser plus de 500 photons à la fois.

Aux intensités très élevées produites par DIOCLES, les photons et l’électron se sont comportés de manière très différente de la normale.

“Lorsque nous avons cette lumière d’une intensité inimaginable, il s’avère que la diffusion – cette chose fondamentale qui rend tout visible – change fondamentalement de nature”, a déclaré le professeur Umstadter.

Un photon provenant d’une lumière standard se diffuse généralement selon le même angle et la même énergie qu’avant de frapper l’électron, quelle que soit la luminosité de la lumière.

Pourtant, l’équipe a constaté qu’au-delà d’un certain seuil, la luminosité du laser modifiait l’angle, la forme et la longueur d’onde de cette lumière diffusée.

“C’est comme si les choses apparaissaient différemment lorsque vous augmentez la luminosité de la lumière, ce qui n’est pas quelque chose que vous expérimentez normalement”, a déclaré le professeur Umstadter.

“Normalement, un objet devient plus lumineux, mais sinon, il ressemble à ce qu’il était avec un niveau de lumière plus faible. Mais ici, la lumière change l’apparence de l’objet. La lumière se détache sous différents angles, avec différentes couleurs, en fonction de sa luminosité.”

Ce phénomène provient en partie d’un changement de l’électron, qui a abandonné son mouvement habituel de haut en bas pour adopter un modèle de vol en 8.

Comme il le ferait dans des conditions normales, l’électron a également éjecté son propre photon, qui s’est détaché sous l’effet de l’énergie des photons entrants.

Mais les chercheurs ont découvert que le photon éjecté absorbait l’énergie collective de tous les photons diffusés, lui conférant l’énergie et la longueur d’onde d’un rayon X.

“Les propriétés uniques de ce rayon X pourraient être appliquées de multiples façons”, a déclaré le professeur Umstadter.

“Sa gamme d’énergie extrême mais étroite, combinée à sa durée extraordinairement courte, pourrait aider à générer des images 3D à l’échelle nanoscopique tout en réduisant la dose nécessaire pour les produire.”

Ces qualités pourraient lui permettre de traquer les tumeurs ou les microfractures qui échappent aux rayons X conventionnels, de cartographier les paysages moléculaires des matériaux nanoscopiques qui trouvent maintenant leur place dans la technologie des semi-conducteurs, ou de détecter des menaces de plus en plus sophistiquées aux points de contrôle de sécurité.

Les physiciens atomiques et moléculaires pourraient également utiliser les rayons X comme une sorte de caméra ultrarapide pour capturer des instantanés du mouvement des électrons ou des réactions chimiques.

Les résultats ont été publiés cette semaine dans l’édition en ligne de la revue Nature Photonics.

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