Sous la supervision du professeur Thomas Brabec, Neda Boroumand, première autrice et chercheuse affiliée au Laboratoire conjoint des sciences attosecondes CNR-uOttawa s’est penchée avec l’équipe sur une limite persistante du modèle « d’approximation du temps de relaxation », une méthode largement utilisée pour prédire la perte de cohérence de phase des électrons laser. Ce modèle sert de pierre angulaire à la science de l’attoseconde depuis des années, malgré certaines inexactitudes.
Un nouveau modèle adapté aux conditions extrêmes
« Bien que ce modèle fonctionne bien pour les gaz dilués, nous avons constaté que, dans le cas des matériaux plus denses et des champs laser plus intenses, il surestimait la rapidité avec laquelle les électrons perdent leur cohérence », explique Lu Wang, chercheuse de niveau postdoctoral au Département de physique de l’Université d’Ottawa, et auteure-ressource de l’étude.
« C’est un problème de taille, étant donné que l’ionisation, c’est-à-dire le processus par lequel les électrons sont arrachés aux atomes, est au cœur de nombreuses technologies clés, de la génération de hautes harmoniques à l’accélération d’électrons en passant par l’usinage au laser. L’imprécision des modèles risque de freiner les progrès de la science de l’attoseconde, qui étudie les événements se produisant aux échelles de temps les plus rapides connues en physique. »
Pour y remédier, l’équipe a mis au point un modèle de « bain thermique » qui capture la complexité des interactions à plusieurs corps sans mobiliser de ressources de calcul excessives. Leur nouvelle approche, baptisée « modèle spin-boson en champ fort », a produit des résultats surprenants. Selon la température et la nature du bain thermique, les taux d’ionisation peuvent grimper en flèche de plusieurs ordres de grandeur ou être radicalement supprimés.
Dépasser les limites de la physique conventionnelle
« Ce cadre nous permet d’intégrer la physique à plusieurs corps dans l’étude des champs laser intenses avec une complexité minimale, explique Lu Wang. Cela pourrait ouvrir la voie à la découverte de nouveaux phénomènes auparavant invisibles dans les domaines de la physique en champ fort et de la science de l’attoseconde. »
Les implications sont immenses. Le modèle peut être appliqué immédiatement à des problèmes d’optique non linéaire et au développement de sources de rayons X de petite taille utilisables sur table. Il offre également la possibilité de contrôler plus précisément les interactions lumière-matière aux échelles de temps les plus minuscules que la science puisse sonder.
Le projet a bénéficié de l’expertise du Conseil national de recherches du Canada, de l’Université de l’Arizona et de l’Université des Émirats arabes unis. Les conclusions de l’équipe marquent une étape importante pour comprendre le comportement des électrons soumis à des environnements extrêmes.
L’étude, intitulée Strong field physics in open quantum systems (physique en champ fort dans les systèmes quantiques ouverts), a été publiée dans IOP SCIENCE.