Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique. Jusqu'à présent, cette accélération par sillage était considérée comme purement classique : les particules sont accélérées, mais leurs propriétés quantiques, comme la torsion de la phase, n'étaient pas prises en compte.
Les auteurs de l'étude se sont demandé : et si la bulle non seulement accélérait l'électron, mais préservait aussi son enroulement ? Pour cela, ils ont résolu l'équation de Dirac, l'équation fondamentale pour l'électron relativiste, dans le champ créé par la bulle de plasma. Il s'est avéré que le mouvement transversal de l'électron est quantifié : il ne peut occuper que certains états annulaires, semblables aux motifs des modes laser. Le champ longitudinal de la bulle agit alors comme deux parois potentielles entre lesquelles l'électron oscille en gagnant de l'énergie.
Le point clé est la symétrie. La bulle a une forme qui ne change pas lors d'une rotation autour de l'axe de propagation. Cette symétrie protège le moment angulaire total de l'électron : en accélérant, il ne saute pas d'un état vortex à un autre. Le vortex reste pur, à moins que l'électron ne s'écarte trop de l'axe ; les calculs donnent un critère précis : le déplacement transversal doit être inférieur à la moitié de la largeur du paquet d'ondes.
Auparavant, on ne savait pas si l'on pouvait accélérer un électron vortex jusqu'à des énergies relativistes sans détruire son enroulement. Maintenant, on a montré que c'est possible, à condition d'utiliser un champ de sillage à symétrie axiale. Cela transforme l'accélérateur à plasma, d'un simple dispositif d'accélération, en un guide d'onde quantique en mouvement, capable de transporter le moment orbital vers de hautes énergies. L'application pratique n'est pas encore prête, mais l'idée ouvre la porte à la génération de faisceaux vortex pour des expériences en physique des hautes énergies et en physique nucléaire.
La taille transverse d'un état vortex dans un accélérateur à plasma peut n'être que de quelques dizaines de nanomètres, soit des milliers de fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain, et pourtant l'électron porte une phase enroulée comme un tire-bouchon.