Les physiciens envisagent de construire des lasers si puissants qu’ils pourraient déchirer l’espace vide

Dans un laboratoire exigu de Shanghai, en Chine, le physicien Ruxin Li et ses collègues battent des records avec les impulsions de lumière les plus puissantes que le monde ait jamais vues. Au cœur de leur laser, appelé Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), se trouve un cylindre unique de saphir dopé au titane, de la largeur d’un frisbee. Après avoir allumé la lumière dans le cristal et l’avoir fait passer par un système de lentilles et de miroirs, le SULF la distille en impulsions d’une puissance époustouflante. En 2016, il a atteint une puissance sans précédent de 5,3 millions de milliards de watts, ou pétawatts (PW). Les lumières de Shanghai ne s’éteignent cependant pas à chaque fois que le laser est activé. Si les impulsions sont extraordinairement puissantes, elles sont aussi infiniment brèves, puisqu’elles durent moins d’un trillionième de seconde. Les chercheurs améliorent actuellement leur laser et espèrent battre leur propre record d’ici la fin de l’année avec un tir de 10 PW, qui emballerait plus de 1000 fois la puissance de tous les réseaux électriques du monde réunis.

Les ambitions du groupe ne s’arrêtent pas là. Cette année, Li et ses collègues ont l’intention de commencer la construction d’un laser 100-PW connu sous le nom de Station of Extreme Light (SEL). D’ici 2023, il pourrait envoyer des impulsions dans une chambre située à 20 mètres sous terre, soumettant les cibles à des températures et des pressions extrêmes que l’on ne trouve normalement pas sur Terre, ce qui serait une aubaine pour les astrophysiciens et les spécialistes des matériaux. Le laser pourrait également servir à la démonstration d’une nouvelle méthode d’accélération des particules utilisée en médecine et en physique des hautes énergies. Mais le plus séduisant, selon Li, serait de montrer que la lumière peut arracher des électrons et leurs homologues antimatières, les positrons, de l’espace vide – un phénomène connu sous le nom de « rupture du vide ». Ce serait une illustration frappante du fait que la matière et l’énergie sont interchangeables, comme l’indique la célèbre équation E=mc2 d’Albert Einstein. Si les armes nucléaires attestent de la conversion de la matière en d’immenses quantités de chaleur et de lumière, faire l’inverse n’est pas si facile. Mais M. Li affirme que le SEL est à la hauteur de la tâche. « Ce serait très excitant », dit-il. « Cela signifierait que vous pourriez générer quelque chose à partir de rien. »

Le groupe chinois est « définitivement en tête de la voie » vers 100 PW, dit Philip Bucksbaum, un physicien atomique de l’Université Stanford à Palo Alto, en Californie. Mais la concurrence ne manque pas. Au cours des prochaines années, des dispositifs de 10 PW devraient être mis en service en Roumanie et en République tchèque dans le cadre de l’infrastructure lumineuse extrême européenne, bien que le projet ait récemment reporté son objectif de construire un dispositif de 100 PW. Des physiciens russes ont élaboré un projet de laser de 180 PW, connu sous le nom de Centre Exawatt pour les études de lumière extrême (XCELS), tandis que des chercheurs japonais ont présenté des propositions pour un dispositif de 30 PW.

Les scientifiques américains sont les grands absents de la mêlée, car ils ont pris du retard dans la course aux hautes puissances, selon une étude publiée le mois dernier par un groupe des Académies nationales des sciences, de l’ingénierie et de la médecine qui était présidé par Bucksbaum. L’étude invite le ministère de l’énergie à prévoir au moins une installation laser de grande puissance, ce qui donne de l’espoir aux chercheurs de l’université de Rochester, dans l’État de New York, qui élaborent des plans pour un laser de 75 W, l’OPAL (Optical Parametric Amplifier Line). Ce laser tirerait parti des lignes de faisceaux d’OMEGA-EP, l’un des lasers les plus puissants du pays. « Le rapport est encourageant », déclare Jonathan Zuegel, qui dirige l’OPAL.

Inventés en 1960, les lasers utilisent une « pompe » externe, telle qu’une lampe flash, pour exciter les électrons au sein des atomes d’un matériau à effet laser – généralement un gaz, un cristal ou un semi-conducteur. Lorsque l’un de ces électrons excités revient à son état initial, il émet un photon, qui à son tour stimule un autre électron pour qu’il émette un photon, et ainsi de suite. Contrairement aux faisceaux étalés d’une lampe de poche, les photons d’un laser émergent en un flux serré à des longueurs d’onde spécifiques.

Parce que la puissance est égale à l’énergie divisée par le temps, il y a essentiellement deux façons de la maximiser : Soit augmenter l’énergie de votre laser, soit raccourcir la durée de ses impulsions. Dans les années 1970, les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), en Californie, se sont concentrés sur la première solution, en augmentant l’énergie du laser en faisant passer les faisceaux par des cristaux à effet laser supplémentaires en verre dopé au néodyme. Toutefois, au-delà d’une certaine intensité, les faisceaux peuvent endommager les amplificateurs. Pour éviter cela, le LLNL a dû fabriquer des amplificateurs de plus en plus grands, de plusieurs dizaines de centimètres de diamètre. Mais en 1983, Gérard Mourou, aujourd’hui à l’École Polytechnique près de Paris, et ses collègues ont fait une percée. Il s’est rendu compte qu’une courte impulsion laser pouvait être étirée dans le temps – ce qui la rend moins intense – grâce à un réseau de diffraction qui répartit l’impulsion dans ses différentes couleurs. Après avoir été amplifiée en toute sécurité à des énergies plus élevées, la lumière peut être recomprimée à l’aide d’un second réseau. Le résultat final : une impulsion plus puissante et un amplificateur intact.

Cette « amplification par impulsions chirpées » est devenue un élément de base des lasers de haute puissance. En 1996, elle a permis aux chercheurs du LLNL de générer la première impulsion pétawatt au monde avec le laser Nova. Depuis lors, le LLNL s’est efforcé d’atteindre des énergies plus élevées dans sa quête de la fusion par laser. Le National Ignition Facility (NIF) du laboratoire crée des impulsions d’une énergie colossale de 1,8 mégajoule dans le but de chauffer de minuscules capsules d’hydrogène à des températures de fusion. Cependant, ces impulsions sont relativement longues et ne génèrent toujours qu’environ 1 PW de puissance.

Pour obtenir des puissances plus élevées, les scientifiques se sont tournés vers le domaine temporel : emballer l’énergie d’une impulsion dans des durées toujours plus courtes. L’une des approches consiste à amplifier la lumière dans des cristaux de saphir dopés au titane, qui produisent une lumière avec un large éventail de fréquences. Dans une chambre laser à miroir, ces impulsions rebondissent et les différentes composantes de fréquence peuvent s’annuler sur la plus grande partie de leur durée d’impulsion, tout en se renforçant mutuellement dans une impulsion fugace de quelques dizaines de femtosecondes. Pompez ces impulsions avec quelques centaines de joules d’énergie et vous obtenez 10 PW de puissance de pointe. C’est ainsi que le SULF et d’autres lasers à base de saphir peuvent battre des records de puissance avec un équipement qui tient dans une grande pièce et ne coûte que quelques dizaines de millions de dollars, alors que le NIF coûte 3,5 milliards de dollars et nécessite un bâtiment de 10 étages qui couvre la superficie de trois terrains de football américains.

Augmenter la puissance des impulsions d’un autre ordre de grandeur, de 10 PW à 100 PW, nécessitera plus de sorcellerie. Une approche consiste à faire passer l’énergie de l’impulsion de centaines à des milliers de joules. Mais les lasers titane-saphir ont du mal à atteindre ces énergies, car les gros cristaux nécessaires à une amplification sans dommage ont tendance à produire des lasers à angle droit avec le faisceau, ce qui prive les impulsions d’énergie. Les scientifiques du SEL, du XCELS et de l’OPAL fondent donc leurs espoirs sur ce que l’on appelle les amplificateurs paramétriques optiques. Ceux-ci prennent une impulsion étirée par un réseau optique et l’envoient dans un cristal artificiel « non linéaire », dans lequel l’énergie d’un second faisceau « de pompage » peut être canalisée dans l’impulsion. La recompression de l’impulsion à haute énergie qui en résulte augmente sa puissance.

Pour approcher les 100 PW, une option consiste à combiner plusieurs de ces impulsions – quatre impulsions de 30-PW dans le cas du SEL et une douzaine d’impulsions de 15-PW au XCELS. Mais le chevauchement précis d’impulsions de quelques dizaines de femtosecondes sera « très, très difficile », déclare Constantin Haefner, physicien spécialiste des lasers au LLNL. Elles pourraient être déviées par la moindre vibration ou le moindre changement de température, affirme-t-il. L’OPAL, en revanche, tentera de générer 75 PW à l’aide d’un seul faisceau.

Mourou envisage une autre voie pour atteindre 100 PW : l’ajout d’un deuxième cycle de compression des impulsions. Il propose d’utiliser des films plastiques minces pour élargir le spectre des impulsions laser de 10 PW, puis de comprimer les impulsions jusqu’à quelques femtosecondes pour augmenter leur puissance jusqu’à environ 100 PW.

Une fois que les constructeurs de laser convoqueront la puissance, un autre défi se présentera : amener les faisceaux à un foyer singulièrement serré. De nombreux scientifiques se soucient davantage de l’intensité – la puissance par unité de surface – que du nombre total de pétawatts. Si l’on parvient à une focalisation plus précise, l’intensité augmente. Si une impulsion de 100 PW peut être focalisée sur un point de seulement 3 micromètres de diamètre, comme Li le prévoit pour le SEL, l’intensité dans cette minuscule zone sera étonnamment de 1024 watts par centimètre carré (W/cm2) – soit quelque 25 ordres de grandeur, ou 10 trillions de trillions de fois, plus intense que la lumière du soleil qui frappe la Terre.

Ces intensités ouvriront la possibilité de briser le vide. Selon la théorie de l’électrodynamique quantique (QED), qui décrit comment les champs électromagnétiques interagissent avec la matière, le vide n’est pas aussi vide que la physique classique voudrait nous le faire croire. Sur des échelles de temps extrêmement courtes, des paires d’électrons et de positrons, leurs homologues d’antimatière, voient le jour, nées de l’incertitude de la mécanique quantique. En raison de leur attraction mutuelle, ils s’annihilent presque aussitôt qu’ils se forment.

Mais un laser très intense pourrait, en principe, séparer les particules avant leur collision. Comme toute onde électromagnétique, un faisceau laser contient un champ électrique qui fouette dans tous les sens. Plus l’intensité du faisceau est élevée, plus la force du champ électrique augmente. À des intensités d’environ 1 024 W/cm2, le champ serait suffisamment fort pour commencer à briser l’attraction mutuelle entre certaines paires électron-positron, explique Alexander Sergeev, ancien directeur de l’Institut de physique appliquée (IAP) de l’Académie des sciences de Russie (RAS) à Nizhny Novgorod et aujourd’hui président de la RAS. Le champ laser secouerait alors les particules, ce qui les amènerait à émettre des ondes électromagnétiques, en l’occurrence des rayons gamma. Les rayons gamma génèrent à leur tour de nouvelles paires électron-positron, et ainsi de suite, ce qui donne lieu à une avalanche de particules et de rayonnements qui peuvent être détectés. « Il s’agira d’une physique totalement nouvelle », déclare Sergeev. Il ajoute que les photons des rayons gamma seraient assez énergétiques pour pousser les noyaux atomiques dans des états excités, inaugurant une nouvelle branche de la physique connue sous le nom de « photonique nucléaire » – l’utilisation de la lumière intense pour contrôler les processus nucléaires.

Une façon de briser le vide serait de simplement concentrer un seul faisceau laser sur un point vide à l’intérieur d’une chambre à vide. Mais la collision de deux faisceaux facilite les choses, car elle augmente le momentum nécessaire pour générer la masse des électrons et des positrons. Le SEL ferait entrer en collision les photons de manière indirecte. Tout d’abord, les impulsions éjectent les électrons d’une cible d’hélium. D’autres photons du faisceau laser ricochent sur les électrons et se transforment en rayons gamma de haute énergie. Certains d’entre eux entreraient à leur tour en collision avec les photons optiques du faisceau.

Documenter ces collisions frontales de photons serait en soi une réalisation scientifique majeure. Alors que la physique classique insiste sur le fait que deux faisceaux lumineux se traversent sans être touchés, certaines des premières prédictions de la QED stipulent que les photons convergents se dispersent occasionnellement l’un l’autre. « Les prédictions remontent au début des années 1930 », explique Tom Heinzl, physicien théoricien à l’université de Plymouth, au Royaume-Uni. « Ce serait bien si nous pouvions les confirmer expérimentalement. »

En plus de rendre les lasers plus puissants, les chercheurs veulent aussi les rendre plus rapides. Les lampes flash qui pompent l’énergie initiale dans de nombreux lasers doivent être refroidies pendant des minutes ou des heures entre les tirs, ce qui rend difficile la réalisation de recherches qui s’appuient sur de nombreuses données, comme celle de savoir si, très occasionnellement, les photons se transforment en particules de la mystérieuse matière noire dont on pense qu’elle constitue une grande partie de la masse de l’univers. « Il y a de fortes chances que vous ayez besoin de beaucoup de tirs pour voir cela », déclare Manuel Hegelich, un physicien de l’Université du Texas à Austin.

Un taux de répétition plus élevé est également essentiel pour utiliser un laser de haute puissance afin d’entraîner des faisceaux de particules. Dans un schéma, un faisceau intense transformerait une cible métallique en un plasma, libérant des électrons qui, à leur tour, éjecteraient des protons des noyaux à la surface du métal. Les médecins pourraient utiliser ces impulsions de protons pour détruire les cancers – et un taux de tir plus élevé faciliterait l’administration du traitement en petites doses individuelles.

Les physiciens, eux, rêvent d’accélérateurs de particules alimentés par des impulsions laser à tir rapide. Lorsqu’une impulsion laser intense frappe un plasma d’électrons et d’ions positifs, elle pousse les électrons les plus légers vers l’avant, séparant les charges et créant un champ électrique secondaire qui entraîne les ions derrière la lumière comme l’eau dans le sillage d’un bateau à moteur. Cette « accélération par champ de sillage laser » peut accélérer les particules chargées jusqu’à des énergies élevées en l’espace d’un millimètre ou deux, contre plusieurs mètres pour les accélérateurs classiques. Les électrons ainsi accélérés pourraient être agités par des aimants pour créer un laser à électrons libres (FEL), qui génère des flashs de rayons X exceptionnellement brillants et brefs pouvant éclairer des phénomènes chimiques et biologiques de courte durée. Un FEL alimenté par laser pourrait être beaucoup plus compact et moins cher que ceux alimentés par des accélérateurs conventionnels.

À long terme, les électrons accélérés par des impulsions PW à haute répétition pourraient réduire le coût de la machine dont rêvent les physiciens des particules : un collisionneur électron-positron de 30 kilomètres de long qui succéderait au Grand collisionneur de hadrons du CERN, le laboratoire européen de physique des particules situé près de Genève, en Suisse. Selon Stuart Mangles, physicien des plasmas à l’Imperial College de Londres, un dispositif basé sur un laser 100-PW pourrait être au moins 10 fois plus court et moins cher que la machine d’environ 10 milliards de dollars envisagée actuellement.

Le collisionneur linéaire et les FEL à tir rapide nécessiteraient tous deux des milliers, voire des millions, de tirs par seconde, bien au-delà de la technologie actuelle. Une possibilité, étudiée par Mourou et ses collègues, est d’essayer de combiner la sortie de milliers d’amplificateurs à fibre à tir rapide, qui n’ont pas besoin d’être pompés avec des tubes flash. Une autre option consiste à remplacer les tubes flash par des lasers à diodes, qui sont chers, mais pourraient devenir moins chers avec la production de masse.

Pour le moment, cependant, le groupe de Li en Chine et ses homologues américains et russes se concentrent sur la puissance. Efim Khazanov, physicien spécialiste des lasers à l’IAP, affirme que le XCELS pourrait être opérationnel vers 2026 – en supposant que le gouvernement accepte le coût : environ 12 milliards de roubles (environ 200 millions de dollars). L’OPAL, quant à lui, serait une aubaine relative entre 50 et 100 millions de dollars, selon Zuegel.

Mais le premier laser à déchirer le vide sera probablement le SEL, en Chine. En juillet dernier, un comité international de scientifiques a qualifié la conception du laser de « sans ambiguïté et convaincante », et Li espère obtenir l’approbation du gouvernement pour le financement – environ 100 millions de dollars – au début de cette année. Selon M. Li, les autres pays ne doivent pas se sentir laissés dans l’ombre lorsque le laser le plus puissant du monde sera mis en service, car le SEL fonctionnera comme une installation internationale pour les utilisateurs. M. Zuegel dit qu’il n’aime pas « être le second », mais reconnaît que le groupe chinois est en position de force. « La Chine a beaucoup d’argent », dit-il. « Et elle a beaucoup de gens très intelligents. Elle est encore en train de rattraper son retard sur une grande partie de la technologie, mais elle le rattrape rapidement. »