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H2020

GAMMALAS — Résultat en bref

Project ID: 657188
Financé au titre de: H2020-EU.1.3.2.
Pays: Royaume-Uni
Domaine: Recherche fondamentale

Le laser à rayons gamma se rapproche de la réalité

Cité parmi les 30 problèmes les plus importants en physique, le laser à rayons gamma semble désormais plus plausible grâce aux nouvelles technologies introduites par un projet financé par l’UE.
Le laser à rayons gamma se rapproche de la réalité
La mise au point d’un laser à rayons gamma représente un très ancien défi pour les scientifiques. Tout comme le laser ordinaire produit des rayons cohérents de lumière visible, cet appareil tant discuté, mais non encore réalisé, produit des rayons gamma cohérents, annonçant une nouvelle génération de technologie pour la recherche et l’industrie.

Jusqu’à aujourd’hui, la production de photons gamma cohérents était empêchée par des mécanismes fondamentaux ou des limitations technologiques. Dans le cadre du projet GAMMALAS (Towards gamma-ray lasers via super-radiance in a Bose-Einstein condensate of 135mCs isomers), une équipe de chercheurs a conçu une proposition pour produire des photons gamma cohérents qui résolvent certains des problèmes les plus complexes.

Un processus de «refroidissement» pour l’émission de rayons gamma

La nouvelle proposition de GAMMALAS pour un tel dispositif est réalisable avec la technologie actuelle. «L’approche repose sur le refroidissement laser et le piégeage magnéto-optique des noyaux de césium. Contrairement à d’autres candidats possibles, le césium est bien adapté à la technique proposée», explique le professeur Ferruccio Renzoni.

«L’idée était de produire un condensat de Bose-Einstein d’isomères de césium après les avoir refroidis jusqu’à 100 nanokelvins. À de telles températures extrêmement basses, les atomes dont les noyaux sont excités commencent à montrer des propriétés purement quantiques, en particulier la cohérence spatiale», ajoute le professeur Renzoni. «Dans cet état, les noyaux excités émettent leur énergie simultanément, déclenchant une puissante explosion de rayons gamma cohérents.» L’approche de l’équipe résout trois problèmes majeurs: l’accumulation d’un grand nombre de noyaux isomères, le rétrécissement de la ligne d’émission du faisceau laser et le dépassement des limites théoriques de la densité de puissance des photons.

Au Laboratoire d’accélérateur de l’Université de Jyväskylä en Finlande, GAMMALAS a également construit une installation expérimentale pour le refroidissement par laser des isotopes de césium radioactif et pour la production de rayonnement gamma cohérent. Là, un accélérateur de particules à cyclotron produit des noyaux de césium instables. Le césium est ensuite neutralisé en ajoutant un électron externe par une implantation de feuille fine. Le nouveau système laser piège et refroidit le césium-135 et d’autres isotopes désirés jusqu’à environ 150 microkelvins. Si tout se passe comme prévu, le premier test de piégeage au césium-135 est prévu pour la fin du printemps 2018.

La lumière ultime

La possibilité de produire des photons gamma cohérents permettra aux scientifiques d’étudier plusieurs jalons en physique et en science en général. Sans aucun doute, les avantages d’une technologie tellement révolutionnaire seront spectaculaires. «Les découvertes de GAMMALAS ouvriront la voie à d’autres recherches sur la matière nucléaire ultra-froide, une fusion entre la physique atomique et la physique nucléaire. En outre, l’usage des rayons gamma cohérents permettra une spectroscopie gamma haute résolution et facilitera le traçage d’isotopes dangereux, explosifs ou radioactifs», conclut le professeur Renzoni.

Le rayonnement gamma cohérent pourrait également ouvrir plusieurs applications utiles dans la vie quotidienne. Par exemple, il permettra une imagerie ultra-précise qui aura un impact considérable sur notre approche de la gestion de la radiothérapie stéréotaxique pour traiter plus efficacement les tumeurs cérébrales. Le secteur de l’énergie peut également bénéficier de photons gamma cohérents à la demande. Le stockage et la récupération d’énergie à partir de noyaux isomères pourraient révolutionner la technologie des batteries, car la densité énergétique peut augmenter de plusieurs ordres de grandeur.

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Mots-clés

GAMMALAS, césium, laser gamma, rayonnement gamma cohérent, isomères, refroidissement laser, spectroscopie gamma, radiothérapie