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Prototypes, recherche, innovation

Une démarche collaborative

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La foudre bat des records

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Un moteur quantique
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Photo-ionisation

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Vers de nouvelles technologies de chargeurs

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Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, grâce à l’accélérateur LHC (le plus puissant du monde) qui fait 27 km de circonférence, les protons se percutent avec une vitesse égale à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. En réalité, les protons sont pré-accélérés dans d’autres machines plus petites avant de pénétrer dans le LHC et subir leur accélération ultime. Par ailleurs, pour diverses applications, notamment médicales, des accélérateurs de particules plus modestes sont également nécessaires pour produire certains rayonnements employés en radiothérapie.

Les particules sont accélérées à l’aide de champs électromagnétiques, un peu comme des surfeurs avançant sur leurs vagues. L’énergie des particules augmente grâce aux ondes électromagnétiques qui leur en fournissent. Souvent, ce sont des microondes qui sont employées. Or, l’énergie du photon associé à l’onde est proportionnelle à la fréquence ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Ondes plus courtes, accélérateurs plus petits

L’idée que des chercheurs de l’université de Stanford aux Etats-Unis ont poursuivie consiste justement à accélérer des électrons avec des impulsions lasers infrarouges dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1000 à 100 000 fois plus courte que les microondes. Cela signifie aussi des dimensions autant de fois plus petites. La taille d’un accélérateur comme le LHC devrait donc pouvoir être réduite à quelques dizaines de mètres, voire à moins d’un mètre. Pour le moment, les physiciens sont parvenus à accélérer des électrons à 1 keV (mille électronvolts) sur une distance de 25 micromètres. En effet, le « tube » de l’accélérateur a été dessiné sur une puce en silicium de 25 micromètres de long : il s’agit d’un sillon de 0,25 micromètre de large. C’est dans ce sillon que les électrons ont été accélérés à mille volts, grâce à 100 000 impulsions lasers par seconde traversant le sillon perpendiculairement. Afin que l’énergie des électrons atteigne 1 MeV soit 94% de la vitesse de la lumière, il faudrait mille tubes de ce type, soit une longueur de 25 mm. Compte tenu de l’exploit réalisé, les accélérateurs ultra-miniaturisés devraient voir le jour prochainement.

En savoir plus 
Sur l'utilisation des lasers pour accélérer les particules
https://home.cern/fr/news/news/physics/nobel-work-shines-light-particle-physics

Publié le 20/05/2020
 

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Photo-ionisation
Une expérience de 1927 voit son interprétation confirmée par une expérience récente

A photo of the COLTRIMS reaction microscope built by Alexander Hartung as part of his doctoral research in the experiment hall of the Faculty of Physics. Credit: Alexander Hartung.

La quantité de mouvement de la lumière

Bien que de masse nulle, la lumière possède une quantité de mouvement « p ». Prédite par la théorie électromagnétique, cette quantité de mouvement est égale à h/λ lorsque la lumière est considérée comme formée de photons (h étant la constante de Planck et λ la longueur d’onde de l’onde associée au photon). La lumière exerce ainsi une pression, appelée « pression de radiation » lorsqu’elle est renvoyée ou absorbée par un corps. Cette pression de radiation explique notamment la deuxième queue des comètes, plus courte que la principale. Tandis que cette dernière apparaît derrière la comète le long de sa trajectoire, la première est située du côté opposé au Soleil sur la droite qui la joint au Soleil, comme si la lumière solaire lui arrachait et soufflait de la matière. Cette pression de radiation est également en jeu dans les « voiles solaires » ou « photovoiles ». Elle pousse l’engin grâce à la quantité de mouvement que les photons lui transfèrent.

Une expérience explique l'autre

Malgré son caractère éminemment fondamental, la conservation de la quantité de mouvement lors de certains processus atomique pose problème. En particulier, Jean Perrin et Pierre Auger montrent en 1927 que dans une photo-ionisation atomique ou moléculaire, l’électron éjecté possède une quantité de mouvement supérieure à celle du photon incident, de près de 50%. Comment une telle chose est-elle possible ? Peu après, Arnold Sommerfeld montre que cette observation peut s’expliquer dans le cadre de la mécanique quantique. En effet, il apparaît alors que l’atome (ou la molécule) doit se mouvoir vers la source de lumière, de sorte que la quantité de mouvement de l’électron moins celle de l’atome soit égale à h/λ. Cette prédiction de Sommerfeld date d'il y a 90 ans. Aucune expérience n’avait pu confirmer ce résultat jusqu’à présent. C’est désormais chose faite grâce à une équipe composée d’une vingtaine de chercheurs issus de quatre centres de recherche en Allemagne. Des rayons X ont été employés pour éjecter des électrons hors d’atomes d’hélium et de molécules de diazote. Grâce à un instrument développé à l’université Goethe à Francfort, le COLTRIMS (cold target recoil-ion momentum spectroscopy), les chercheurs ont pu mesurer très précisément la quantité de mouvement des ions produits et confirmer ainsi les propos de Sommerfeld vieux de 90 ans. Dans ces expériences, un photon X arrachait un électron. La question sur laquelle les chercheurs vont se pencher à présent est la suivante : que se passe-t-il si plusieurs photons sont nécessaires pour arracher un électron 

Publié le 17/06/2020

Kamil Fadel
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