Les électrons font le grand 8

Physique.

Les électrons font le grand Huit

Grâce à un laser ultrapuissant, une théorie vieille de plus de trente ans portant sur la trajectoire des électrons dans un champ magnétique vient d’être confirmée (1999).

Les dix dernières années ont vu l’apparition de lasers de plus en plus puissants. Ces appareils capables de produire des impulsions lumineuses d’une énergie phénoménale ouvrent aujourd’hui les portes d’un nouveau champ de la physique et lèvent le voile sur bon nombre de phénomènes restés à l’état de théories. Des chercheurs de l’université du Michigan viennent notamment de confirmer expérimentalement la diffusion relativiste de Thomson, un concept vieux de plus de trente ans.

Placés dans un champ électrique, les électrons oscillent. Et plus ce champ est intense, plus la vitesse d’oscillation est importante. Les lasers surpuissants permettent ainsi d’affecter aux électrons des vitesses de l’ordre de celle de la lumière. Or, dans les années 1970, les physiciens ont calculé qu’à cette célérité, le champ magnétique généré par le laser et perpendiculaire au champ électrique n’est pas sans effet sur les électrons. Ces derniers ne se déplacent alors plus de façon rectiligne mais suivent une orbite ayant la forme d’un huit. Dans le même temps, ils réémettent des harmoniques de la lumière incidente.

Ces harmoniques peuvent posséder de grandes fréquences correspondant à l’ultraviolet ou aux rayons X. En envoyant une impulsion de 4 000 milliards de Watts pendant 0,4 mille milliardièmes de seconde (4.10-13 s) sur de l’hélium, Szu-yuan Chen, Anatoly Maksimchuk et Donald Umstadter du Center for Ultrafast Optical Science (Ann Arbor, Etats-Unis) ont réussi à donner aux électrons arrachés des atomes du gaz une vitesse d’oscillation proche de celle de la lumière. Les trois physiciens ont alors détecté les harmoniques prévues par la théorie, prouvant sans ambiguïté la présence des orbites en huit et donc l’existence de la diffusion relativiste de Thomson. “Toute la difficulté de l’expérience a résidé dans l’observation de ces harmoniques”, explique le professeur Arnold Migus, directeur du laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (CNRS-Ecole Polytechnique, Palaiseau). “Lorsque la matière se transforme en plasma, comme ce fut le cas ici, elle émet des rayons X. Il fallait alors réussir à distinguer les rayons parasites et de ceux correspondant à la diffusion de Thomson.”

Le seul moyen pour les Américains de faire la part des choses a été d’étudier la direction de propagation des harmoniques. Et comme le veut la théorie, certaines d’entre elles se déplaçaient le long d’un cône. “Lorsque les premiers calculs de trajectoires des électrons oscillant à une vitesse relativiste dans un champ magnétique ont été effectués, conclut le professeur Migus, personne n’imaginait que les lasers seraient un jour suffisamment puissants pour le prouver expérimentalement.” Comme quoi, tout vient à point pour qui sait attendre.

Fabrice Demarthon

Nature, vol. 396, p. 653-55

08 janvier 1999