Avec la réussite de la première expérience de 2 pétawatts, ZEUS est sur le point de repousser les limites de la science de haut niveau et de fournir aux chercheurs de nouveaux outils puissants pour faciliter l'exploration et l'innovation. L'équipe continue de mettre à niveau le système et s'efforce d'atteindre sa capacité maximale, tandis que les expériences utilisateur sont déjà en cours.
L'installation laser Zeus de l'Université du Michigan propulse les États-Unis à l'avant-garde de la science des lasers de haute intensité. Lors de sa première expérience formelle, le laser ZEUS a atteint une puissance maximale de 2 pétawatts, soit deux fois la puissance des autres lasers aux États-Unis. Bien que l’explosion ait été plus de 100 fois plus puissante que la puissance totale mondiale et n’ait duré que 25 quadrillions de seconde, elle a représenté une étape majeure dans les capacités de recherche des États-Unis.
"Cette étape marque le début d'un voyage en territoire inexploré pour les expériences scientifiques américaines de haut niveau", a déclaré Karl Krushelnik, directeur du Centre Gérard Mouroud pour la science optique ultrarapide, siège de ZEUS. L'université a déclaré que l'installation de 16 millions de dollars représentait un « excellent rapport qualité-prix » compte tenu de sa taille et de son potentiel.
ZEUS est soutenu par la National Science Foundation (NSF) et fonctionne comme une installation utilisateur, accueillant des équipes de recherche de partout aux États-Unis et du monde entier. Les propositions expérimentales sont sélectionnées selon un processus d'examen indépendant afin de garantir que les performances de leurs lasers sont utilisées pour les recherches scientifiques les plus prometteuses. Les recherches menées par ZEUS devraient faire progresser des domaines tels que la médecine, la sécurité nationale, la science des matériaux, l'astrophysique, la science des plasmas et la physique quantique.
Le système ZEUS est construit principalement à partir de composants disponibles dans le commerce et intègre des technologies avancées, notamment des amplificateurs d'impulsions à double fréquence et des filtres acousto-optiques programmables, pour maintenir la bande passante et la phase précises requises pour les impulsions ultra-courtes et de haute puissance. Le laser peut produire des impulsions compressées d’une durée aussi courte que 20 femtosecondes, permettant ainsi diverses expériences de pointe.
Installé dans un espace de la taille d’un gymnase scolaire, ZEUS abrite trois zones cibles distinctes, chacune personnalisée pour une application de recherche spécifique. La région cible 2 est conçue pour les expériences impliquant des cibles solides et l'accélération des ions, tandis que la région cible 3 est optimisée pour l'accélération du champ de sillage laser et peut mesurer des énergies électroniques jusqu'à environ 5 GeV.
La capacité de l'appareil à diviser un faisceau lui permet d'atteindre une intensité un million de fois supérieure à celle d'un seul faisceau, permettant ainsi l'étude de phénomènes extrêmes tels que les structures quantiques du vide et la création de paires matière-antimatière à partir de l'espace vide.
"L'un des avantages de ZEUS est qu'il ne s'agit pas seulement d'un gros marteau laser, mais qu'il peut diviser la lumière en plusieurs faisceaux", a déclaré Franklin Dollar, professeur à l'Université de Californie à Irvine, dont l'équipe mène la première expérience utilisateur à 2 pétawatts.
Zone cible 1, où auront lieu les 2 premières expériences utilisateur pétawatt.
L'équipe de Dollar travaille avec des scientifiques de ZEUS pour créer des faisceaux d'électrons avec des énergies comparables à celles produites par des accélérateurs de particules longs de plusieurs centaines de mètres. Leur objectif est d’atteindre des énergies électroniques 5 à 10 fois supérieures à ce que ZEUS a réalisé auparavant.
"L'objectif était d'atteindre des énergies électroniques plus élevées en utilisant deux faisceaux laser distincts - l'un pour former le canal de guidage et l'autre pour accélérer les électrons à travers le canal", explique Anatoly Maksimchuk, chercheur à l'Université du Michigan qui a dirigé le développement de la zone expérimentale.
Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont repensé la cible et allongé la cavité qui contient l’hélium. Lorsqu'une impulsion laser frappe l'hélium, les électrons sont retirés des atomes, formant un plasma qui convertit l'hélium en un mélange d'électrons libres et d'ions chargés positivement. Les électrons sont ensuite accélérés dans le sillage de l’impulsion laser, un processus appelé accélération du champ de sillage. Étant donné que la lumière se déplace plus lentement dans un plasma, les électrons peuvent rattraper leur retard et suivre l'impulsion, gagnant ainsi plus d'énergie sur de plus longues distances dans une cible étendue et moins dense.
Cette démonstration de la puissance de ZEUS est un prélude à l’expérience phare de l’installation, qui devrait avoir lieu plus tard cette année. Dans cette expérience, des électrons accélérés entrent en collision avec des impulsions laser se propageant dans la direction opposée. Dans le cadre de référence électronique, une impulsion laser de 3 pétawatt serait un million de fois plus puissante qu’un électron – atteignant une impulsion de niveau Ziva – d’où le nom complet de ZEUS : « Zeva Equivalent Ultrashort Laser Pulse System ».
Vyacheslav Lukin, directeur du programme de la division physique de la National Science Foundation, a déclaré que les avantages potentiels de ZEUS s'étendent bien au-delà de la physique et auront également un impact sur les progrès en matière de soins de santé, de technologie et de développement économique. "La recherche fondamentale menée dans l'installation NSF ZEUS a le potentiel d'un large éventail d'applications, notamment l'amélioration des méthodes d'imagerie des tissus mous et l'avancement des technologies pour le traitement du cancer et d'autres maladies", a-t-il déclaré.
Les expériences de ZEUS pourraient également aider à expliquer des phénomènes astrophysiques tels que les jets de positons des trous noirs et les sursauts gamma, reliant ainsi la science en laboratoire à certains des événements les plus mystérieux de l'univers.
Le voyage pour atteindre 2 watts n’a pas été facile. Il a fallu plusieurs années pour se procurer le verre saphir dopé au titane de près de 7 pouces de diamètre requis pour l'amplificateur final. "Le cristal que nous sommes sur le point d'obtenir cet été nous permettra d'atteindre une puissance de 3 pétawatts, et il a fallu quatre ans et demi pour le fabriquer", a déclaré Franko Bayer, chef de projet de ZEUS. "Nous n'avons qu'une poignée de glaces saphir en titane de cette taille dans le monde."
La transition du laser HERCULES de 300 térawatts au système de 1 pétawatt de ZEUS a également présenté certains défis techniques. L'atténuation inattendue du réseau de diffraction a été attribuée aux dépôts de carbone formés lorsque le faisceau intense interagissait avec des molécules résiduelles dans la chambre à vide. L'équipe a fixé des limites d'exploitation sûres pour éviter d'autres dommages.
Depuis son lancement en octobre 2023, ZEUS a réalisé 11 expériences impliquant 58 chercheurs de 22 institutions, dont des participants internationaux. Le modèle d'utilisation de l'installation est similaire à celui d'autres grands centres de recherche, tels que le LCLS-II du SLAC National Accelerator Laboratory, et a attiré des collaborations mondiales.