Vers les champs magnétiques Megatesla par des implosions de microtubes

Implosion de microtubes

Illustration d’une implosion de microtubes. En raison des électrons chauds produits par le laser avec des énergies de mégaélectrons-volts, les ions froids de la surface de la paroi interne implosent vers l’axe central. En pré-ensemençant des champs magnétiques uniformes de l’ordre du kilotesla, la force de Lorentz induit une gyromotion de Larmor des ions et des électrons en implosion. En raison du mouvement collectif résultant des particules chargées relativistes autour de l’axe central, de forts courants de spin d’environ péta-ampère/cm^2 sont produits avec une taille de quelques dizaines de nm, générant des champs magnétiques d’ordre mégatesla. Crédit : Masakatsu Murakami

Des simulations de superordinateur 3D de haute précision révèlent la structure 3D des champs magnétiques mégatesla à l’échelle du micron théoriquement prédits, optimisant la conception technique des conditions laser et des structures cibles de la taille du micron pour les futures expériences laser.

Champs magnétiques de Megatesla

Vues en perspective de la densité d’ions normalisée ni/ni0 et de la composante z du champ magnétique Bz, respectivement, observées à t~200 fs, obtenues par une simulation EPOCH 3D. Une cible en aluminium cubique d’une taille de 14 µm × 14 µm × 14 µm est placée au centre, qui a une cavité cylindrique avec un rayon de R0 = 5 µm et un axe chevauchant l’axe z. Le champ magnétique d’ensemencement B0 = 6 kT parallèle à l’axe z est uniformément défini sur l’ensemble du domaine. Les quatre faces de la cible parallèles à l’axe z sont normalement irradiées simultanément par des impulsions laser uniformes, qui sont caractérisées par ?L = 0,8 µm, IL = 3×10^21 Wcm^-2 et tL =50fs. Crédit : © 2021 Masakatsu Murakami et al., Science et ingénierie des lasers haute puissance

Récemment, une équipe de recherche de l’Université d’Osaka a démontré avec succès la génération de champs magnétiques d’ordre mégatesla (MT) via des simulations de particules tridimensionnelles sur l’interaction laser-matière. La force des champs magnétiques MT est 1 à 10 milliards de fois plus forte que celle du géomagnétisme (0,3 à 0,5 G), et ces champs ne devraient être observés qu’à proximité immédiate des corps célestes tels que les étoiles à neutrons ou les trous noirs. Ce résultat devrait faciliter une expérience ambitieuse pour atteindre des champs magnétiques d’ordre MT en laboratoire, qui est actuellement en cours.

Depuis le 19ème siècle, les scientifiques se sont efforcés d’atteindre les champs magnétiques les plus élevés en laboratoire. À ce jour, le champ magnétique le plus élevé observé en laboratoire est de l’ordre du kilotesla (kT). En 2020, Masakatsu Murakami de l’Université d’Osaka a proposé un nouveau schéma appelé implosions de microtubes (MTI) [1, 2] pour générer des champs magnétiques ultra-élevés sur l’ordre MT. L’irradiation d’un cylindre creux de la taille d’un micron avec des impulsions laser ultra-intenses et ultracourtes génère des électrons chauds avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Ces électrons chauds lancent une implosion à symétrie cylindrique des ions de la paroi interne vers l’axe central. Un champ magnétique pré-ensemencé appliqué de l’ordre du kilotesla, parallèle à l’axe central, courbe les trajectoires des ions et des électrons dans des directions opposées en raison de la force de Lorentz. Près de l’axe cible, ces trajectoires courbées d’ions et d’électrons forment collectivement un fort courant de spin qui génère des champs magnétiques d’ordre MT.

Dans cette étude, l’un des membres de l’équipe, Didar Shokov, a mené de nombreuses simulations en trois dimensions à l’aide du superordinateur « OCTOPUS » au Cybermedia Center de l’Université d’Osaka. En conséquence, une loi d’échelle distincte a été trouvée concernant les performances de la génération des champs magnétiques par MTI et des paramètres externes tels que l’intensité laser appliquée, l’énergie laser et la taille de la cible.

« Notre simulation a montré que les champs magnétiques ultra-élevés mégatesla, que l’on pensait impossibles à réaliser sur terre, peuvent être atteints en utilisant la technologie laser d’aujourd’hui. La loi d’échelle et le comportement temporel détaillé des champs magnétiques dans la cible devraient faciliter les expériences de laboratoire utilisant le système laser Peta-watt « LFEX » à l’Institut d’ingénierie laser de l’Université d’Osaka, qui sont actuellement en cours », a déclaré Murakami.

Référence : “Laser scaling for generation of megateslamagnetic fields by microtube implosions” par D. Shokov,
M. Murakami et JJ Honrubia, 14 octobre 2021, Science et ingénierie des lasers haute puissance.
DOI : 10.1017/hpl.2021.46

Remarques

  1. « Génération de champs magnétiques megatesla par des implosions de microtubes pilotés par laser intense » par M. Murakami, JJ Honrubia, K. Weichman, AV Arefiev et SV Bulanov, 6 octobre 2020, Rapports scientifiques.
    DOI : 10.1038 / s41598-020-73581-4
  2. Le labo de YouTube Murakami : https://www.youtube.com/watch?v=eL4w1uGRk4U

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