Une équipe de chercheurs de l'Université du Nebraska – Lincoln a récemment mené une expérience où ils ont pu accélérer les électrons du plasma pour se rapprocher de la vitesse de la lumière. Cette "fusée optique", qui a poussé les électrons à une force mille milliards de milliards de fois supérieure à celle générée par une fusée conventionnelle, pourrait avoir de sérieuses implications pour tout, des voyages dans l'espace aux calculs et aux nanotechnologies.
En ce qui concerne l'avenir de l'exploration spatiale et de la recherche scientifique, il est clair que la lumière jouera un rôle vital. D'une part, les agences spatiales étudient les «communications optiques» - l'envoi d'informations à l'aide de lasers - pour gérer les quantités croissantes de données que les missions collecteront et enverront sur Terre. Les chercheurs et ingénieurs, d'autre part, se tournent vers les lasers pour effectuer des manipulations microscopiques de la matière et des ordinateurs optiques.
Cependant, l'un des principaux défis de ce type d'applications a été la taille de l'équipement impliqué. Cela se résume au fait que les lasers conventionnels à haute énergie sont généralement gros et coûteux. En tant que tel, la possibilité de réduire le processus où la lumière est utilisée pour accélérer les particules ne serait pas seulement une aubaine pour les chercheurs, elle pourrait également conduire à d'innombrables nouvelles applications.
C’est précisément ce que l’équipe du Laboratoire de lumière extrême (ELL) de l’UNL a utilisé avec le laser Diocles du laboratoire. Ce laser à rayons X, qui est dix millions de fois plus lumineux que le soleil, a été utilisé pour focaliser des impulsions laser rapides sur les électrons du plasma - un processus connu sous le nom d'accélération de champ de sillage (ou accélération d'électrons). L’étude qui décrit leurs résultats est récemment parue dans le Lettres d'examen physique.
Habituellement, la lumière exerce une force minuscule partout où elle est réfléchie, diffusée ou absorbée. Bien que la force soit extrêmement faible, elle peut avoir un effet cumulatif lorsqu'elle est correctement focalisée et continue. Au cours de l'expérience, l'équipe a découvert que les impulsions lumineuses entraînaient la poussée des électrons du plasma hors du trajet des impulsions, créant des ondes de plasma dans leur sillage.
Les électrons ont également accéléré davantage ces «ondes de champ de sillage», ce qui les a amenées à des vitesses ultra-relativistes (c'est-à-dire proches de la vitesse de la lumière). Comme Donald Umstadter, le directeur du Extreme Light Laboratory, l'a expliqué dans un communiqué de presse du Nebraska Today:
«Cette nouvelle application unique de lumière intense peut améliorer les performances des accélérateurs d'électrons compacts. Mais l'aspect scientifique nouveau et plus général de nos résultats est que l'application de la force de la lumière a entraîné une accélération directe de la matière. »
Cette nouvelle expérience a effectivement démontré la capacité de contrôler la phase initiale de l'accélération du champ de sillage, ce qui pourrait améliorer les performances des accélérateurs d'électrons compacts. Il est significatif en ce qu'il a de nombreuses applications qui n'étaient pas possibles auparavant, en raison de la taille énorme des accélérateurs d'électrons conventionnels.
L'une de ces applications est connue sous le nom de «pincette optique», un processus où la lumière est utilisée pour manipuler des objets microscopiques. Une autre application possible est le concept connu sous le nom de «voile légère» (alias. Cellule solaire ou photonique), une méthode de propulsion spatiale où un faisceau laser focalisé est utilisé pour accélérer une voile réfléchissante à des vitesses incroyables.
Un exemple de cela est Breakthrough Starshot, un vaisseau spatial proposé développé par Breakthrough Initiatives - une organisation à but non lucratif fondée par le milliardaire russe Yuri Milner. Constitué d'une nanocraft tractée par une vue, ce vaisseau spatial s'appuierait sur des lasers focalisés pour l'accélérer à des vitesses relativistes (20% la vitesse de la lumière). À cette vitesse, l'engin serait en mesure de faire le voyage vers Alpha Centauri en seulement 20 ans et pourrait renvoyer des images de toutes les exoplanètes là-bas (y compris Proxima b).
Dans l'intervalle, cette expérience devrait ouvrir de sérieuses opportunités de recherche aux physiciens des particules. L'étude a été dirigée par Grigoroy Golovin, un chercheur postdoctoral du laboratoire de lumière extrême (ELL) de l'Université du Nebraska-Lincoln (UNL), et comprenait plusieurs scientifiques de l'ELL et de l'Université Jiao Tong de Shanghai.
