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L’accélération laser-plasma pour explorer la matière

Jérôme Faure, directeur de recherche au Laboratoire d’optique appliquée, vient de voir ses travaux publiés par la revue Nature Photonics. A partir d’un système laser aux propriétés uniques, le chercheur a développé une source d'électrons inédite, basée sur l’accélération laser-plasma, permettant à la fois de sonder et d’imager la matière.

C’est l’aboutissement de quatre années de travail. Après avoir reçu une bourse ERC consolidator en 2013 pour concrétiser son concept, Jérôme Faure vient d’effectuer la première démonstration de la source d’électrons qu’il a développée. A l’origine de ce projet, le chercheur a l’idée d’utiliser l’accélération laser-plasma sur laquelle il travaille depuis plusieurs années, technique qui permet d’accélérer des particules de façon compacte et efficace grâce à l’interaction entre une impulsion laser de très grande intensité et un gaz produisant un plasma, pour l’appliquer à l’étude de la matière condensée. L’inspiration lui est venue après un passage de deux ans au Laboratoire des solides irradiés de l'École polytechnique. « Cette ouverture vers un autre domaine de la physique m’a permis de prendre une direction inattendue et quelque part innovante », reconnaît le directeur de recherche CNRS.

L’objectif de son projet : suivre le mouvement des atomes dans la matière en temps réel et réaliser de véritables « films » de la dynamique atomique à l’aide de cette source d’électrons. Pour cela, le chercheur a recourt à l’accélération laser-plasma, une méthode qui utilise des lasers femtosecondes. « Ce sont des flashs de lumière extrêmement courts grâce auxquels nous allons pouvoir générer des paquets électrons pour faire de l’imagerie avec une résolution temporelle inégalée, précise-t-il. Des paquets d’électrons ultra-brefs vont se former naturellement dans l’accélérateur et ainsi nous permettre de visualiser la dynamique des atomes dans la matière ».
Cependant, les accélérateurs laser-plasma développés jusqu’à présent ne fonctionnent qu’avec de gros systèmes laser et avec un taux de répétition faible, c’est-à-dire ne permettant qu’un seul tir toutes les dix secondes. « Cela est insuffisant pour les applications d’imagerie ultra-rapide dans la matière condensée», précise Jérôme Faure. Alors, pour résoudre ce problème, le chercheur va faire appel à une nouvelle technologie : un laser inédit développé au sein du Laboratoire d’optique appliquée (École polytechnique / CNRS / ENSTA ParisTech) par le chercheur Rodrigo Lopez-Martens. « Ce laser dit à cycle unique ne comporte qu’une seule oscillation de la lumière et permet d’obtenir la même intensité laser en utilisant mille fois moins d’énergie et en ayant un taux de répétition beaucoup plus élevé, de l’ordre de 1000 tirs par seconde », poursuit-il.

Ainsi, à l’aide de cet équipement de pointe, le chercheur a réussi à obtenir une vraie source d’électrons stable avec des paquets de particules dont la durée équivaut à une femtoseconde. « C’est une source idéale pour imager les atomes et comprendre comment ils se déplacent dans la matière sur des échelles de temps très courtes », note Jérôme Faure. Avec cette source d’électrons inédite, le scientifique vise à sonder et à imager la matière grâce à la technique de diffraction d’électrons.

Ses travaux offrent des perspectives prometteuses en recherche fondamentale pour la compréhension de nouveaux phénomènes physiques mais aussi pour la résolution de problèmes fondamentaux autour de la radiothérapie et de la radiobiologie. Et, d’ores et déjà, Jérôme Faure compte bien faire profiter la communauté de ses avancées. « Une collaboration est en cours avec le synchrotron SOLEIL pour mettre en forme la source d’électrons et la rendre ainsi utilisable pour les autres laboratoires du plateau de Saclay travaillant sur la matière condensée afin qu’ils puissent réaliser des expériences de pointe et faire avancer la recherche dans leur domaine », insiste le chercheur qui a reçu l’an dernier le prix Edouard Fabre pour l’ensemble de ses recherches sur l’accélération laser-plasma.