Des chercheurs du laboratoire PhLAM publiés dans la revue Nature Photonics

_{a) Vue aérienne de synchrotron SOLEIL (CAVOK Production - Laurent PERSIN). b) Emission d’une impulsion térahertz cohérente par un paquet d’électrons dans un anneau de stockage due à la présence de micro-structures dans le paquet. Une approche inspirée des méthodes dites de « contrôle du chaos » a permis à la collaboration PhLAM-SOLEIL de contrôler la dynamique de l’émission.}

Les centres de rayonnement synchrotron, comme le synchrotron SOLEIL près de Paris, permettent de générer un rayonnement très intense sur une gamme de fréquences extrêmement large, typiquement du térahertz jusqu’aux rayons-X durs; rayonnement ensuite utilisé pour sonder tout type de matière (des gaz aux solides en passant par des molécules biologiques).

Les paquets d’électrons relativistes qui émettent ce rayonnement sont des systèmes spatio-temporels complexes, dans lequel une instabilité apparaît de manière systématique lorsque le nombre d’électrons stockés dans le paquet est trop important. Cette instabilité, observée et étudiée depuis une vingtaine d’années dans de nombreux centres de rayonnement synchrotron à travers le monde, est caractérisée par l’apparition spontanée de micro-structures dans le paquet.  Ces micro-structures ont un effet important sur le rayonnement émis car elles imposent aux électrons de  rayonner en phase dans le domaine du térahertz, et ainsi permettent l’émission d’un rayonnement cohérent très intense. Néanmoins, dans la  grande majorité des cas, les micro-structures apparaissent sous forme de bouffées erratiques, rendant le rayonnement térahertz très irrégulier et donc inutilisable.

Une collaboration entre une équipe du laboratoire PhLAM (UMR 8523 - Université de Lille/CNRS) et le synchrotron SOLEIL a montré la possibilité de contrôler cette instabilité, en utilisant une méthode inspirée des techniques de contrôle du chaos. Un état du système très régulier, mais naturellement instable, a pu être stabilisé, et ainsi rendre l’émission térahertz très stable. L’expérience de démonstration au synchrotron SOLEIL a montré que les fluctuations du signal térahertz pouvaient être diminuées d’un facteur 104, en n’appliquant que de très légères modifications au paquet d’électrons (car très peu d’énergie est nécessaire pour maintenir stable une solution stationnaire préexistante).

Publication: “Stable coherent terahertz synchrotron radiation from controlled relativistic electron bunches”, C. Evain, C. Szwaj, E. Roussel, J. Rodriguez, M. Le Parquier, M.-A. Tordeux, F. Ribeiro,  M. Labat, N. Hubert, J.-B. Brubach, P. Roy, S. Bielawski, Nature Physics (avril 2019).

News & Views dans Nature Photonics : « Inspired by Chaos »,  O. Graydon, Nature Photonics 13, 375 (2019).  https://doi.org/10.1038/s41566-019-0455-x