laser à électrons libres

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

Le faisceau d'une lampe de poche perce un brouillard. Plus le brouillard est épais, plus la lumière est diffusée et plus elle met de temps à atteindre l'œil. Un principe similaire s'applique aux sursauts radio rapides — ces impulsions mystérieuses et extrêmement puissantes venues de galaxies lointaines.

Au centre de presque chaque grande galaxie se cache un trou noir supermassif, dont l'abîme gravitationnel a été décrit mathématiquement pour la première fois par Karl Schwarzschild. Lorsqu'il avale du gaz, naît un noyau actif éblouissant — un quasar.

Un microscope ordinaire est impuissant lorsqu'il s'agit d'observer un virus isolé dans les moindres détails. Trop petit. Mais il existe un instrument qui émet des éclairs des milliards de fois plus brillants que la lumière du soleil — le laser à rayons X à électrons libres.

Un laser, ce n'est pas que de la lumière. Si l'on fait osciller une particule comme un pendule et que ces oscillations s'auto-entretiennent, on obtient un laser phononique. Cela semble compliqué, mais l'idée est simple : au lieu d'ondes lumineuses, l'appareil émet des ondes mécaniques régulières — des phonons.

En général, on sépare les isotopes en exploitant la différence de poids du noyau. Cette différence est infime — comme si l'on triait des grains de sable qui diffèrent d'un centième de millimètre. La nouvelle méthode ne s'intéresse pas au poids mais à la rotation du noyau — son spin.

Un manège de lumière ne fait pas tourner des gens, mais des électrons. Au lieu de chevaux de bois, ce sont des pales invisibles de lumière. C'est exactement ce « manège » que des physiciens ont construit pour donner une rotation aux électrons. Habituellement, pour transformer un flux d'électrons en tourbillon, il faut un minuscule masque — un pochoir avec des fentes, gravé à l'échelle atomique.

Un tuyau d'arrosage projette un jet fin et puissant. En le déplaçant sur le jardin, on peut arroser tout le potager sans inonder les allées. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle approche pour traiter les tumeurs profondes : au lieu d'un large flux de rayonnement, on utilise un faisceau étroit d'électrons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, et on balaie la tumeur avec, comme avec un…

Une molécule de deutérium — deux atomes d'hydrogène lourd — se disloque sous l'impact d'un laser. Un électron est arraché, laissant derrière lui un ion. À cet instant, ils sont encore liés : la direction de l'un révèle immédiatement où est parti l'autre. Cette liaison s'appelle l'intrication quantique.

Le laser infrarouge de l'Institut Fritz Haber fonctionne désormais comme un chef d'orchestre avec deux baguettes. Autrefois, il produisait un seul faisceau dans le moyen infrarouge, là où les molécules vibrent. Aujourd'hui, un second oscillateur a été ajouté, qui émet dans l'infrarouge lointain, là où les charpentes moléculaires entières « respirent ».

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

Un faisceau d'électrons dans un accélérateur ressemble à une volée d'oiseaux : il vole en groupe serré, mais avec le temps, il se disperse. Pour maintenir les particules ensemble, on installe généralement de lourds aimants. Ici, on s'en est passé : le faisceau s'est comprimé tout seul.

La lumière ordinaire, c'est comme une foule sur une place : chaque photon se déplace à sa guise, entre en collision et repart. Mais dans certains milieux, les photons, telle une meute de chiens, se mettent à courir ensemble — ils se regroupent.

Les photons intriqués sont deux messagers qui marchent au pas. Dans un matériau, leur synchronisation est perturbée. La nature de la perturbation révèle ce qu'ils ont rencontré : un embranchement qui a séparé leurs routes, ou un manège magnétique qui a tordu leur foulée. C'est ainsi que fonctionne la méthode BELS.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

Deux villes : l'une avec des rues droites et bien alignées, l'autre avec des ruelles tortueuses. Si on lâche un puissant jet d'eau sur les deux, dans la première l'eau s'écoulera rapidement par les canaux, tandis que dans la seconde elle inondera tout autour. C'est à peu près ce qui se passe dans les tissus lors de la radiothérapie ultrarapide, appelée FLASH.

Un accélérateur classique ressemble à une chaîne de montage où les électrons sont des pièces brutes. Pour obtenir l'impulsion de rayons X souhaitée, on ajuste longuement la pièce après le lancement : on la comprime, on la filtre, on la corrige. Dans ces nouveaux travaux, les ingénieurs ont choisi une approche différente : donner sa forme à la pièce avant même qu'elle n'entre sur la chaîne.

Les ondes radio nous entourent, mais notre œil ne les voit pas. Ce nouveau capteur, de la taille d'un ongle, les transforme en une tache colorée sur un petit écran. À l'intérieur de la puce se trouve une couche de cristaux liquides, ceux-là mêmes que l'on trouve dans les écrans de téléphone. Parmi eux sont tissés de fins fils ferromagnétiques.

La lumière d'un laser, c'est comme une rangée parfaitement alignée de soldats lors d'une parade : toutes les ondes oscillent dans un même plan. On dit d'une telle lumière qu'elle est polarisée.

Dans un morceau d'oxyde de manganèse épais de quelques couches atomiques, les électrons se comportent comme une foule dans un escalator : chacun suit ses propres règles, mais ensemble ils créent un flux commun. Les physiciens ont dirigé un rayonnement X mou sur ce film et en ont arraché des électrons.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

La lentille « œil de poisson » est un verre inhabituel : son indice de réfraction varie du centre vers le bord de telle sorte que tout rayon émis depuis un point quelconque converge vers le point strictement opposé. Fabriquer une telle lentille en verre ordinaire est presque impossible, mais les physiciens ont trouvé une solution de contournement.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

La lumière du soleil est un torrent impétueux qui charrie des paires de gouttelettes inséparables. Voilà à quoi ressemble l'intrication quantique : deux particules si liées que l'agitation de l'une se répercute instantanément sur l'autre.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

Un flux d'électrons peut être comparé à un faisceau de pointeur laser : s'il diverge, la tache sur le mur s'étale rapidement. En laboratoire, des physiciens ont créé un faisceau si étroit qu'il restait fin sur une grande distance, comme le faisceau d'un bon pointeur.

Un tampon en caoutchouc ordinaire amortit les vibrations comme une épaisse couverture étouffe le son : plus c'est épais et lourd, mieux c'est. Les ingénieurs rêvent depuis longtemps d'un matériau léger qui « dévorerait » les oscillations aussi bien qu'un amortisseur massif.

La résonance magnétique, c'est comme un diapason qui ne vibre que sur sa note. Chaque molécule a sa propre fréquence, et grâce à elle, on peut identifier la molécule et son état. Mais avant, on écoutait ce diapason à travers un mur épais : le signal était flou et on ne pouvait pas distinguer la note exacte.

Un laser à fibre à rétroaction aléatoire est un fil de verre très fin dans lequel la lumière se propage, mais se réfléchit non pas sur des miroirs, mais sur les infimes irrégularités de la fibre elle-même. Un tel laser ne produit pas un faisceau régulier : sa lumière tremble et scintille, comme la flamme d'une bougie dans un courant d'air.

Allumer un soleil miniature est un vieux rêve de l'humanité. En général, les scientifiques tentent de confiner un plasma brûlant (un gaz de particules chargées) à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

Le laser sur cristal de niobate de lithium s'anime avec un courant de 40 milliampères. Sa lumière se divise en deux faisceaux, chacun traverse un guide d'ondes de six millimètres, et là naissent des paires de photons jumeaux. Un faisceau fait tourner la polarisation de ses jumeaux, puis les deux flux se rejoignent dans un lit commun.