Quand on zappe un morceau de fil de cuivre avec un laser à peu près aussi puissant qu'une petite étoile, les choses chauffent. Très chaud. Et vite. Très vite. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont maintenant capturé ce processus avec un niveau de détail sans précédent, comme rapporté dans Nature Communications. Ils ont combiné un laser à électrons libres à rayons X avec le laser optique à haute intensité ReLaX au European XFEL à Schenefeld près de Hambourg, créant une sorte de système de surveillance high-tech pour la formation de plasma. Les travaux offrent un nouvel aperçu de la façon dont les lasers à haute énergie interagissent avec la matière dans des conditions extrêmes et, plus pratiquement, introduisent une méthode prometteuse pour améliorer les diagnostics dans la recherche sur la fusion par laser.

L'ionisation, le processus d'arrachement des électrons des atomes, se déroule en picosecondes - c'est-à-dire quelques trillionièmes de seconde. Pour capturer des changements aussi rapides, il faut des impulsions laser encore plus courtes. Le Dr Lingen Huang, responsable des expériences à la division Haute Densité d'Énergie du HZDR, explique que les deux lasers utilisés ont des durées d'impulsion de seulement 25 et 30 femtosecondes - également des trillionièmes de seconde. Avec ces impulsions ultra-courtes, les chercheurs ont pu observer la formation du plasma presque en temps réel, comme un ralenti d'une explosion cosmique, sauf que l'explosion se produit sur un fil de cuivre d'un septième de l'épaisseur d'un cheveu humain.

L'expérience commence par une intense rafale de lumière frappant ce fil de cuivre très fin. L'énergie délivrée est d'environ 250 billions de mégawatts par centimètre carré sur une minuscule zone pendant un moment extrêmement bref - des conditions généralement rencontrées seulement près des étoiles à neutrons ou lors de sursauts gamma. Le fil de cuivre se vaporise instantanément, produisant un plasma avec des températures de plusieurs millions de degrés. Les atomes de cuivre perdent plusieurs électrons et deviennent hautement ionisés. Les chercheurs utilisent ensuite une deuxième impulsion laser, générée par le European XFEL, pour examiner le plasma. Cette impulsion émet un éclair intense de rayons X durs. En enregistrant comment ces rayons X interagissent avec le plasma, les scientifiques capturent une séquence d'instantanés, semblables à des images d'un film. Cette approche pompe-sonde leur permet de suivre l'évolution du plasma étape par étape.

Les impulsions de rayons X sont soigneusement accordées pour interagir avec les ions Cu²²⁺ - des atomes de cuivre qui ont perdu 22 électrons. L'énergie photonique de 8,2 kiloelectronvolts correspond à une transition électronique spécifique dans ces ions, un processus connu sous le nom d'absorption résonante. Après avoir absorbé les rayons X, les ions émettent leur propre rayonnement X distinctif. 'Dans notre expérience pompe-sonde, nous mesurons exactement le développement temporel de cette émission de rayons X stimulée', dit Huang. 'Parce qu'elle nous montre combien d'ions Cu22+ sont présents dans le plasma à un moment donné.' Les mesures révèlent une séquence claire : juste après que le laser frappe le fil, les ions Cu22+ commencent à se former, atteignant un pic à environ deux picosecondes et demie, puis diminuant régulièrement à mesure que la recombinaison commence. En environ dix picosecondes, ces ions hautement chargés disparaissent complètement. 'Personne n'a jamais regardé ce type d'ionisation avec une telle précision auparavant', dit le Prof. Tom Cowan, ancien directeur de l'Institut de physique des rayonnements au HZDR.

Des simulations informatiques ont aidé les chercheurs à comprendre ce qui motive ce comportement. L'impulsion laser initiale n'arrache que quelques électrons aux atomes de cuivre. Ces électrons portent une haute énergie et se déplacent à travers le matériau comme une vague, libérant des électrons supplémentaires des atomes voisins. 'Ils sont si riches en énergie qu'ils se propagent comme une vague et libèrent de plus en plus d'électrons des atomes de cuivre voisins', explique Cowan. Avec le temps, ces électrons perdent de l'énergie et sont progressivement recapturés par les ions, ramenant les atomes à un état neutre. 'Cette expérience démontre à quel point nos lasers sont puissants et ouvre la voie à de futures installations de fusion par laser', conclut le Dr Ulf Zastrau, responsable de la station expérimentale HED-HIBEF au European XFEL. La fusion par laser, après tout, repose également sur des plasmas extrêmement chauds chauffés par des lasers et l'électro...