Voir à l'intérieur d'un plasma chaud et dense

L’état le plus courant de la matière observable dans l’univers est de loin celui des particules ionisées, ou plasmas. Ainsi, une compréhension approfondie de la matière ionisée et de son interaction avec la lumière permettrait de mieux appréhender les mécanismes et relations en jeu à la formation de l’univers. Si les plasmas sont relativement faciles à générer en laboratoire, leur étude est extrêmement difficile. En effet, une densité élevée rend les plasmas opaques à la lumière visible, et la nature turbulente des milieux gazeux et les variations rapides des propriétés du plasma nécessitent des méthodes spécifiquement adaptées.

Dans un nouvel article publié dans Light : Science & Applications, des chercheurs du groupe UPX du LOA, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université d’Iéna et de l’Université de Madrid, présente l’observation directe de la formation et de l’interaction du plasma de krypton hautement ionisé à l’aide de lumière ultraviolette extrême (UVX) cohérente en combinaison avec une modélisation numérique approfondie.

Dans une expérience réalisée au LOA, nous avons utilisé un plasma de krypton généré par laser comme milieu laser UVX. Une impulsion sonde UVX cohérente lancée dans ce plasma a capté des signatures des conditions du plasma le long de sa propagation et a ensuite été analysée par une méthode connue sous le nom d’imagerie par diffraction cohérente, offrant une très haute résolution. Nous avons trouvé une modulation spatiale inattendue que nous avons pu attribuer, à l’aide d’une modélisation théorique ab initio adaptée, à un comportement fortement non linéaire dans l’interaction laser-plasma générant le plasma de krypton hautement ionisé.

Cette approche expérimentale peut facilement être adoptée à d’autres scénarios pertinents et valide les modèles ab initio avancés utilisés pour simuler l’interaction laser-plasma et, plus généralement, la formation de plasma hautement ionisé. Au-delà d’une compréhension plus approfondie des interactions laser-plasma, ces découvertes peuvent avoir des répercussions, par exemple sur l’augmentation de la puissance des sources de rayons X à base de plasma ou sur des expériences de fusion à base de plasma.

F. Tuitje et al. Nonlinear ionization dynamics of hot dense plasma observed in a laser-plasma amplifier, Light: Science & Applications 8, 187 (2020)

Une forte impulsion laser infrarouge crée un canal de plasma hautement ionisé dans une cible en krypton. Le canal est sondé par une impulsion ultraviolette extrême. Un dispositif d'imagerie par diffraction utilisant une cible nanométrique permet de prendre une image à haute résolution du faisceau sonde. L'interaction laser-matière est modélisée numériquement et permet de calculer la température des électrons et l'abondance des ions dans le canal de plasma en fonction de l'espace et du temps.